游戲1 “內(nèi)破外不破”巧扎雙層氣球

游戲情境

魔術(shù)背后一定有它的科學(xué)原理！一起來幫幫小智哥哥吧——想想怎樣才能不弄破外面的氣球，而讓里面的氣球爆破。

科學(xué)再現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)“讓外面的氣球安然無恙，而把里面的氣球扎破”這種高難度的操作，就要弄清楚氣球爆破的原因是什么。想想看，怎樣才可以輕松地把氣球刺破？又有什么方法能夠讓氣球被尖銳的物體刺穿卻不爆破？弄清楚這兩點(diǎn)，再進(jìn)行精細(xì)操作，就有可能完成這個(gè)看似不可能完成的任務(wù)啦。接下來，我們先從一個(gè)常見的生活現(xiàn)象講起。

但是，如果湖面上有厚厚的一層冰，那安全系數(shù)就會(huì)大大上升。在北方的冬天，湖面上結(jié)冰后，就會(huì)有人在冰面上滑冰、玩耍。

而在更加寒冷的東北地區(qū)，人們甚至可以直接在湖面上挖洞捕魚。例如，著名的查干湖所在地區(qū)，每年1～2月，氣溫能達(dá)到-30～-10℃，此時(shí)冰層厚度能達(dá)到半米，所以湖面上可以跑汽車、開拖拉機(jī)，鑿冰撈魚更是成為傳承千年的習(xí)俗。

你可以先用一個(gè)氣球，換不同的位置扎扎試試，看看扎哪里氣球可以不爆破，如圖1-2所示；也可以換其他的尖銳物品去扎氣球。你會(huì)發(fā)現(xiàn)，是否爆破和針的粗細(xì)與尖銳程度有關(guān)。

提醒

我們無法用肉眼去判斷冰面的承載能力，小朋友不能自己去結(jié)冰的湖面和河面上玩耍哦！

如果我們把冰面看成氣球的表面，自然會(huì)有這樣的猜測(cè)：如果氣球很厚，用針扎幾下應(yīng)該沒有什么問題；如果氣球很薄，一扎就會(huì)爆破。接下來，我們就動(dòng)手試一試吧。

要點(diǎn)總結(jié)

如果要在不扎破外面氣球的前提下扎破里面的氣球，需要考慮以下兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

（1）位置，要從外面氣球最厚的地方想辦法。

（2）找到氣球表面最厚的地方后，針頭越細(xì)越尖，氣球越不容易被扎破。不過因?yàn)槲覀冎荒苡猛桓樔ピ鷥?nèi)外兩層氣球，所以，針的粗細(xì)選擇就有一定的小技巧了。

當(dāng)然，我們也可以從表演魔術(shù)的視覺效果去考慮。如果你這個(gè)小小魔術(shù)師表演的是“用看不見的方法讓里層的氣球爆破”，那盡量用細(xì)的針，選擇觀眾看不清針的角度去扎；而如果你要表演“不扎破外層氣球，讓里面的氣球爆破”，可以選一根又粗又大的自行車輻條，噗地扎進(jìn)去，外面氣球卻不爆破，視覺效果一定更震撼。

科學(xué)探索

火眼金睛——找出氣球上最厚的地方

問題

吹起來的氣球薄厚為什么是不均勻的？

原理分析

氣球一般是由彈性材料制成，比如橡膠。當(dāng)我們朝里面吹氣的時(shí)候，氣球內(nèi)氣體分子的量增加，由內(nèi)向外推動(dòng)氣球壁，此時(shí)氣球內(nèi)氣體的壓強(qiáng)就會(huì)比大氣壓大，進(jìn)而產(chǎn)生向外的壓力，使氣球膨脹，如圖1-3所示。

隨著我們吹氣越來越多，氣球就會(huì)越來越大，不過受到氣球本身形狀的影響，它會(huì)先從中間開始膨脹，而頂部是最后膨脹的地方。如果連頂部都膨脹到無法再膨脹的程度，氣球就會(huì)“砰”的一聲爆破，如圖1-4所示。

所以，吹起來的氣球，頂部就是最厚的地方，透光能力沒有其他部分好，顏色也會(huì)更深。在實(shí)驗(yàn)中，我們可以根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，尋找氣球上顏色最深、透光最差的地方去扎。

無處不在的大氣壓

知識(shí)延展

雖然我們無法直接看見空氣，但是在我們生活的空間里空氣無處不在。這些氣體由于地球引力的作用而被吸引在地球表面附近，形成了一個(gè)氣體層，也就是我們平常所稱的大氣層。這個(gè)氣體層對(duì)于地球表面上的物體和生物產(chǎn)生了壓力，就像一個(gè)巨大的氣墊，壓在地球表面的所有物體上，如圖1-5所示。

同時(shí)，又因?yàn)榭諝饪梢韵袼菢幼杂闪鲃?dòng)，我們看不見、摸不著，但它又無處不在，影響著我們的生活，因它產(chǎn)生的壓力也被我們所利用，如圖1-6所示。

小朋友可以嘗試著和爸爸媽媽講一下圖1-6中的原理，也可以用一些小實(shí)驗(yàn)讓爸爸媽媽直觀地感受到大氣壓的神奇。例如，當(dāng)我們將裝滿水的無蓋子水杯倒過來放置，

水一定會(huì)灑出來，然而給杯口蓋上一張光滑的硬紙，再把水杯向下翻轉(zhuǎn)過來，水卻不會(huì)漏出來，如圖1-7所示。

蛛絲馬跡——用不同的針效果有何不同

問題

針孔的形狀為什么會(huì)對(duì)扎破氣球有影響？

如果扎氣球較厚的地方，針孔的形狀對(duì)結(jié)果影響不大；如果扎氣球較薄的地方，則有些影響。其道理可以用下面的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)來說明。

在較窄的紙條上扎兩個(gè)不同的孔，一個(gè)較圓滑，一個(gè)很尖銳。掛上重物后，有尖銳孔的紙條會(huì)很快斷裂，而有圓孔的紙條不會(huì)斷裂，如圖1-9所示。

現(xiàn)在，如圖1-10所示，換上較寬的紙條，再做一次這個(gè)實(shí)驗(yàn)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)兩張寬紙條都不會(huì)被拉斷。最好準(zhǔn)備一些足夠重的東西。你相信嗎？一張A4紙竟然可以承受幾十千克重物的拉力，你想拉斷它可不是件輕而易舉的事呢。

當(dāng)我們?cè)鷼馇驎r(shí)，就相當(dāng)于在氣球表面打孔。如果在氣球表面留下的孔不夠圓滑，邊緣處有裂紋，在無處不在的氣壓差的影響下，缺口處產(chǎn)生的裂紋會(huì)瞬間擴(kuò)散到氣球表面的所有地方（就像從四面八方用相同的力撕扯一張有著尖銳缺口的紙），此時(shí)氣球就會(huì)“砰”的一聲爆破了！

“阻止”裂紋擴(kuò)展與“利用”裂紋擴(kuò)展在生活中的應(yīng)用

知識(shí)延展

從紙條被拉斷的實(shí)驗(yàn)又可以引出一些相關(guān)的問題：某些包裝食品袋不好撕開，可能是因?yàn)樗洪_處的缺口比較圓，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)的時(shí)候讓缺口變尖些就好撕開了，如圖1-11所示。

如果手提袋上出現(xiàn)了裂紋，可以把裂紋的尖端銼圓，或者干脆把整個(gè)裂紋挖去，裂紋就不容易擴(kuò)展了，如圖1-12所示。

當(dāng)然還有其他方法阻止裂紋擴(kuò)散，不過挖去一些材料反而可以提高承載能力，正是力學(xué)的精妙之處。如果你覺得不好理解，可以從古人的智慧中獲得啟發(fā)：對(duì)承受拉力的材料而言，裂紋就是“害群之馬”，除去裂紋，就是除去“害群之馬”，雖然減少了一些材料，但是總體性能提高了。

開動(dòng)腦筋——?dú)馇虮Ｗo(hù)大作戰(zhàn)

問題

哪些方法可以讓氣球被針扎而不會(huì)爆？

為了幫助大家順利完成任務(wù)，接下來給各位一些小提示：現(xiàn)在大家應(yīng)該知道把針扎在外面氣球最厚的部位，而扎里面氣球最薄的部位，這樣外面的氣球就不會(huì)爆破，而里面的氣球則會(huì)爆破成碎片。但我們能否人為造出一些“最厚”的部位呢？例如在氣球的某處貼上透明膠帶，然后用針扎膠帶；或者用手把氣球的某處收攏在一起，再扎收攏處，如圖1-13所示。

其次，在用針扎氣球的時(shí)候，除了針的尖銳程度會(huì)影響結(jié)果外，扎的角度是否也很重要呢？垂直于氣球表面扎與沿著氣球表面劃過，其效果或許會(huì)有所不同喲！

要點(diǎn)總結(jié)

想要像魔術(shù)師一樣，在不弄破外面氣球的情況下，扎破里面那個(gè)氣球，我們要做的就是找到外面氣球上“最厚”的部分，然后去扎里面氣球“最薄”的地方，而一個(gè)可以留下圓孔的“針”，會(huì)對(duì)我們順利完成任務(wù)有很大的幫助。

動(dòng)手實(shí)驗(yàn)

好了，“巧扎氣球”的辦法已經(jīng)全部傳授給你了，接下來就是動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)了！既然你已經(jīng)了解了什么是大氣壓，也知道了如何阻止裂紋擴(kuò)展，那就利用這些知識(shí)來解決問題吧。試試怎么扎氣球才能實(shí)現(xiàn)魔術(shù)效果——外面的氣球不爆破而里面的氣球爆破！練習(xí)好了，你也可以當(dāng)個(gè)小小魔術(shù)師，去給同學(xué)們表演呢，一定可以收獲很多的稱贊！

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

把兩個(gè)氣球套在一起充氣后綁好，然后用一根鐵釘小心地扎充滿氣的氣球，讓外面的氣球不爆破，而里面的氣球爆破。注意氣球不要太大或太小，尺寸以吹滿氣后直徑達(dá)到20～30厘米為好。可以先用2個(gè)氣球做試驗(yàn)，成功后再增加氣球個(gè)數(shù)，看看能否實(shí)現(xiàn)讓1、3層氣球不爆破，讓2、4層氣球爆破。

實(shí)驗(yàn)材料

工具：打氣筒1個(gè)。

材料：氣球2個(gè)（如果要挑戰(zhàn)更高難度，可以多準(zhǔn)備幾個(gè)），20厘米長(zhǎng)的細(xì)繩1根，鐵釘1顆（也可以換成針、牙簽或其他尖銳物體）。

注意：使用鐵釘時(shí)要小心，避免自己被扎傷，而且游戲中的氣球都應(yīng)充得很飽滿，假設(shè)氣球吹爆時(shí)為100%的飽滿程度，那么游戲中外面的氣球至少要充氣到80%的程度，這時(shí)氣球會(huì)比較透明并能看到里面的氣球。如果氣球充氣不足，外面的氣球就不容易扎爆，也就失去了挑戰(zhàn)性。

實(shí)驗(yàn)步驟

自行設(shè)計(jì)，寫在這里吧！

實(shí)驗(yàn)觀察記錄

請(qǐng)寫在這里！

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

請(qǐng)寫在這里！