關鍵概念
物理
氣體
溫度
膨脹和收縮
引言
你可能知道許多物體在受熱時會膨脹（或變大），在冷卻時會收縮。例如，金屬、木材和混凝土都是如此。但你知道氣體也會這樣嗎？只是當這種情況發生時很難看到。這個活動將讓你用“水”來“看到”空氣收縮！
背景
物質，如固體、液體或氣體，被定義為“具有質量並透過體積佔據空間的一種物質”。如果物質被加熱，它會傾向於改變其形狀、面積和體積。這種特性稱為熱膨脹。發生這種變化的原因是所有物質都是由原子和分子組成的，它們的行為會因冷熱而異。當加熱時，分子開始振動並非常快速地移動。這導致它們之間的距離更大，從而導致材料膨脹。然而，當冷卻時，分子往往運動得少得多，這使得它們佔據的空間更少。
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液體溫度計是熱膨脹的一個很好的應用。被困在小玻璃管中的液體，由於溫度升高或降低而改變其體積。如果變熱，液體膨脹並在玻璃管中上升，指示較高的溫度。如果變冷，液體收縮，其在管中的液位下降，指示較低的溫度。然後，體積變化的準確量可以與溫度變化相關聯。這允許我們從溫度計內部的液位讀取溫度。
在這個活動中，你還將使液體在玻璃杯中上升——不是由於液體的熱膨脹，而是由於液體上方的氣體的熱收縮。困惑了嗎？那就做這個活動，看看它是如何工作的！
材料
兩個相同的平板
冰塊
兩個相同的透明飲用玻璃杯
一個大碗（它應該足夠深，以便其中一個玻璃杯可以浸沒在其中。）
自來水（熱水和冷水）
食用色素（可選）
準備工作
小心地將熱自來水（你擁有的最熱的設定）倒入碗中。
將其中一個玻璃杯浸入水中，使其完全被水覆蓋並充滿水。
將另一個玻璃杯放在室溫下。
將冰塊放在其中一個平板上，並加入冷水，使整個平板都被冰水覆蓋。
在第二個平板上倒入一些室溫水，使其也被水覆蓋。
可選地，你可以在兩個平板上的水中加入一到兩滴食用色素，以使現象更明顯。
步驟
用手指感受兩個平板上水的溫度。溫度差別很大嗎？
小心地將玻璃杯從熱水碗中取出。玻璃杯感覺如何？它很熱嗎？
將冰塊推到平板的兩側，將玻璃杯倒放在裝有冰水的平板上。當你把玻璃杯放在平板上時，玻璃杯會發生什麼？平板上的液體會發生什麼？
觀察玻璃杯五到十分鐘。隨著時間的推移，液體或玻璃杯會發生任何變化嗎？如果是，會發生什麼？你能解釋你的觀察結果嗎？
10分鐘後，將玻璃杯從平板上取下。這次玻璃杯感覺如何？在測試過程中，它的溫度發生了變化嗎？
接下來，拿起第二個沒有浸入碗中的玻璃杯，將其倒放在裝有室溫水的第二個平板上。你認為這次平板上的水和玻璃杯會發生什麼？
再次觀察玻璃杯五到十分鐘。你看到有任何變化發生嗎？結果和之前一樣嗎？無論你回答是或否，你能解釋原因嗎？
額外：你能準確找出你的玻璃杯可以吸入多少水嗎？在平板上新增不同量的水並進行測試！如果你想新增更多的水，你可能需要使用更大的平板。
額外：玻璃杯和平板上的水之間需要多大的溫差才能將水吸上來？用溫水（而不是熱水）裝滿碗，並重複測試。你也可以改變平板上水的溫度。它需要是冰水嗎？溫差需要有多大？
額外：將你的玻璃容器更改為更大或更小的容器是否會改變你的結果？玻璃杯的形狀重要嗎？設計測試來找出答案！
觀察和結果
當你把溫暖的玻璃杯放在裝有冷水的平板上時，你應該看到水在玻璃杯內上升。當浸沒在熱水中時，玻璃杯最初會被加熱。一旦你把它從碗裡拿出來，玻璃杯裡的水就會被空氣取代，空氣也會被加熱。當你把玻璃杯倒放在平板上的冰水層上時，冰水會冷卻玻璃杯和裡面的溫暖空氣。這會導致玻璃杯內的空氣收縮（它的分子不會像以前那樣跳動）。
玻璃杯內收縮的空氣對玻璃杯中的水施加的壓力（空氣分子對它們接觸的表面施加的“推力”）低於玻璃杯外的室溫空氣。這導致水被推入玻璃杯中，壓縮內部的空氣。最終，壓力差會平衡，上升的水會停止。換句話說，玻璃杯內收縮的空氣體積被水取代。如果玻璃杯和平板上的水處於相同的溫度，則不會發生這種情況。玻璃杯內的空氣沒有理由冷卻，因此它保持相同的體積和壓力，並且沒有任何東西可以將水推入玻璃杯中。
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本活動由科學夥伴合作推出
