- 玩科學：游戲中的科學和知識（彩圖精裝）
- 方怡
- 52字
- 2019-03-01 18:41:36
第一章游戲玩轉科學
抓住空氣
空氣是什么？空氣有重量嗎？空氣能產生力嗎？風有多大的力量？最適合飛行的形狀是什么？聲音如何傳播？
空氣無處不在
空氣無處不在，占據著每一個自由空間。空氣存在于水、動植物和人類的體內以及其他物體中。雖然空氣很輕，而且看不見，但我們仍然發現和稱量空氣的方法。
在哪里我們可以發現空氣？
在水中保持干燥
你需要準備：
● 1個干凈的大口玻璃瓶
● 1個乒乓球
● 1張紙
● 1個裝水的透明的碗或盆（比玻璃瓶高）
游戲步驟：
1.把紙放入玻璃瓶底。
2.把乒乓球放置在盆內的水面上。
3.把玻璃瓶倒置，扣住乒乓球，然后把玻璃瓶用力往下壓，直到瓶口接觸到盆底。
發生了什么呢？
水沒有進入玻璃瓶內，而乒乓球在盆底靜止不動，幾乎還是干燥的。
原因解答：
玻璃瓶內的空氣阻止了水進入玻璃瓶內，所以玻璃瓶里的紙沒被弄濕。如果把玻璃瓶垂直向上提出水面，你會看到，玻璃瓶內的紙幾乎沒有變濕，玻璃瓶內仍然保持干燥狀態。
4.把玻璃瓶再次浸入水中。
5.當玻璃瓶口接觸到盆底的時候，稍微傾斜一點點。
發生了什么呢？
一串串空氣泡從玻璃瓶里跑出來，冒出水面，然后破裂。水進入了玻璃瓶，乒乓球在玻璃瓶內向上漂浮，最后水把紙浸濕了。
原因解答：
玻璃瓶里的空氣找到了跑出玻璃瓶的路徑，并且向上升。現在，水進入瓶內占據了玻璃瓶里空氣所占據的空間。
真空包裝的產品
如果你仔細閱讀咖啡瓶包裝紙上印刷的信息，你可能會看到“真空包裝”的字樣。真空包裝是一種特殊的制作程序，它把瓶里的空氣抽走，使咖啡的香味能夠被更好地保留。當玻璃瓶蓋被打開的時候，你可以聽到一聲輕響，就好像是呼吸聲。這是空氣重新占據了咖啡瓶內的空間而發出的聲音。
水中的空氣
空氣也存在于水中，我們可以通過一個小小的實驗來驗證這一點。
把一個裝滿水的透明玻璃杯放在一個熱源旁邊。當水開始升溫時，你會看到一個個充滿空氣的小氣泡聚集在玻璃杯的杯壁上。盡管水中存在空氣，但是人類卻不能直接從水中呼吸空氣。在水下，我們需要用吸管從水面呼吸氧氣，或者用裝滿氧氣的氧氣瓶來維持呼吸。
空氣有重量嗎？
稱量空氣
你需要準備：
● 2根塑料棒，1根長15厘米，1根長30厘米
● 2個大小相同、顏色不同的氣球，稍微充氣
● 2罐飲料
● 1卷膠帶
● 1支鉛筆
游戲步驟：
1.用鉛筆在30厘米長的塑料棒的中心點處做一個記號。
2.用膠帶把兩個氣球分別套在塑料棒的兩端。
3.把15厘米長的塑料棒兩端分別粘在兩個飲料罐上，然后把30厘米長塑料棒的中心點放在15厘米塑料棒上。
發生了什么呢？
30厘米的塑料棒仍然保持著平衡。
原因解答：
塑料棒兩端的兩個氣球重量相等。
4.把一個氣球取下來，打滿氣，然后把
它再套在30厘米塑料棒的一端，把塑料棒的中心點放在15厘米塑料棒的上面。
發生了什么呢？
充滿氣的氣球的那一端往下壓。
原因解答：
充滿氣的氣球里的空氣質量比另一端的氣球里的空氣質量大。
房間里的空氣
你需要準備：
● 1把米尺（或1把軟尺）
● 1支筆和一張紙
● 1個體重計
游戲步驟：
1.以米為單位，測量房間的大小，分別測量房間的長、寬、高。
2.將測量得到的數據相乘，得出房間的體積（體積=長×寬×高）。
3.科學家們經過計算得出，1立方米空氣約重1．2千克。因此，如果用房間的體積乘以1．2，你就可以得出房間里空氣的質量。
4.現在用體重計稱你自己的體重，與房間中的空氣質量相比，哪一個更重呢？
發生了什么呢？
你會發現，房間中空氣的重量比你還重。
原因解答：
一個中等大小的房間里的空氣重量跟一位成年人的體重大致相等（約為70千克）。
用氣泡來吸引獵物
乒乓球從水底浮出來的時候，你可以看到它在水面上快速旋轉，因為它比水輕。這也是水里的氣泡浮出水面的原因。
巨頭鯨會利用這種現象（氣泡）來捕捉獵物：它在一大群魚的下面不斷轉圈，制造出很多浮上水面的氣泡。這些氣泡會把魚吸引過來，而巨頭鯨只要坐等美食送上門來就行了！
空氣的壓力
大氣層是指包裹著地球的厚的空氣層（約為1000千米厚），它對人體和物體產生巨大的壓力，但是卻沒人注意到它——盡管壓在每個成年人身上的空氣達15噸！雖然我們在自己身上感覺不到空氣的巨大壓力，但我們可以發現并測量到它，還能人為地增加空氣的壓力，并利用空氣的壓力來操縱機器，克服重力。
空氣能產生力嗎？
無形的力
你需要準備：
● 1把尺子
● 1大張白紙
● 1塊木板
游戲步驟：
1.把尺子放在木板上，使它的1/3露在木板的外面。
2.把白紙放在尺子的上面，并使白紙平攤在木板上。
3.用力向下擊打露在木板外面的尺子部分，使紙跳到空中（注意不要用力過猛把尺子打斷）。
發生了什么呢？
紙阻止尺子跳起來。
原因解答：
空氣向下壓著白紙。因為白紙的面積很大，所以盡管向下擊打的力量很大，但是紙面上的空氣重量足以阻止它跳起來。
空氣使水上升
你需要準備：
● 1個盆
● 1個玻璃杯
● 清水
游戲步驟：
1.把玻璃杯放進盛滿清水的盆中，使杯底朝上。
2.把玻璃杯向上提，但是不要使杯口離開水面。
發生了什么呢？
玻璃杯中的水面上升了，比玻璃杯外的水面要高。
原因解答：
盆里水的表面上的空氣壓力把水推進了玻璃杯里。如果玻璃杯的杯口離開盆的水面，空氣就會進入玻璃杯，并把玻璃杯里的水向外推出，玻璃杯就會變空。
空氣只會向下壓嗎？
比水更強大的力量
你需要準備：
● 1個杯口光滑的透明玻璃杯
● 1張風景明信片，或者1張明信片大小、表面光滑的卡片
● 少量清水
● 1個用來做實驗的水池
游戲步驟：
1.將玻璃杯裝滿清水。
2.小心地把明信片光滑的一面放在玻璃杯的杯口上。
3.用手指按住明信片，將玻璃杯倒過來。
4.把手從明信片上拿開。
發生了什么呢？
明信片仍然附著在玻璃杯口，而且玻璃杯中的水也沒有流出來。
原因解答：
明信片下方的空氣壓力比玻璃杯中的水的重量更大，這就是明信片能承受住水的重量讓水無法流出來的原因。
吸盤的力量
把吸盤用力按在物體表面上時，吸盤里的空氣就被擠壓出來了。由于吸盤外的空氣壓力，吸盤緊緊地附著在物體的表面，造成完全密封。但是，如果你把吸盤的邊緣稍稍抬起，空氣就會進入吸盤里面，吸盤就無法再吸在物體的表面了，因為吸盤里面的空氣壓力和吸盤外面的空氣壓力是一樣大的。關于這一點，你還可以通過測試哪些物體表面吸盤可以吸住，哪些物體表面吸盤不能吸住的實驗來證明。你會發現，吸盤只會吸附在那些表面非常光滑的物體上。而當吸盤按在表面很粗糙的物體上時，空氣從外面擠壓吸盤，同時迅速地從吸盤和物體表面之間的空隙鉆進吸盤。
氣壓痕跡
環繞地球的空氣會壓垮我們嗎？
你需要準備：
● 橡皮泥或雕塑黏土
● 1個裝滿水的、用軟木塞封口的玻璃瓶
游戲步驟：
1.把橡皮泥弄軟，然后把它捏成一個很厚的、與玻璃瓶底形狀相同的圓形底座。
2.把玻璃瓶放在橡皮泥底座上，使它保持直立。
3.把玻璃瓶拿起，然后把它顛倒，再豎立在橡皮泥底座上。
發生了什么呢？
玻璃瓶正放在橡皮泥上留下的痕跡比倒著放留下的痕跡淺。
原因解答：
正放的玻璃瓶底座占用的面積大，可以分散玻璃瓶的重量。相反，當把玻璃瓶倒放的時候，相同的重量集中在一個更小的面——瓶嘴上，產生了比之前大得多的壓力，因此留下的痕跡自然也就更深。人體所產生的壓力同樣有賴于接觸面的大小，這就是為什么雪橇能夠防止滑雪者陷入雪里的原因。
壓力的平衡
大氣壓力由兩個面的因素決定：一是我們頭頂的大氣的質量，另一個則是大氣施加壓力的對象——地球表面上的每個物體。為什么大氣壓力沒有把我們壓垮呢？這是因為人體有很多不同的面，可以向不同方向分散空氣壓力。同時，最重要的一點是，在我們人體內部，跟其他所有動物和物體一樣，存在著向外壓的空氣，以平衡身體內部和外部的壓力。由于這種平衡，我們可以承受壓在我們身上的大氣重量。
壓力的變化
高山上大氣的壓力比海平面的大氣壓力要小：越往上走，空氣越稀薄，因此產生的壓力也越小。在水下也是同樣道理：在水下潛得越深，你會感覺到水越來越重。空氣的壓力同時還隨氣溫的變化（熱空氣比冷空氣輕）而變化，還會受到濕度（含蒸汽水滴的空氣比干燥的空氣重）的影響。由于空氣壓力的這些變化，我們需要使用儀器來測量大氣壓力，比如，氣壓計和高度計等等。
>氣壓計被用來測量大氣壓力，以預測天氣狀況的變化。
擠壓空氣
你需要準備：
● 1個去掉針頭的注射器
游戲步驟：
空氣可以被壓縮嗎？
1.把注射器的活塞拉起，使注射器里充滿空氣。
2.用一個手指堵住注射器的口，用力向下推活塞，然后放開活塞。
發生了什么呢？
活塞仿佛被一種看不見的力量推擠，向上彈起，然后停住。你會感覺到有一股強大的推力擠壓著你堵住注射器口的手指。把你的手指拿開，活塞就會回到最初的位置。
原因解答：
空氣被壓縮了，因為活塞壓得空氣只占據了一個很小的空間。壓縮增加了空氣的壓力——擠壓容器內壁和你的手指的那股力量。活塞回到最初的位置是因為被壓縮的空氣膨脹并從注射器口流出，隨后，空氣壓力減小，然后活塞下落。
壓縮空氣的力量
輪胎里的壓縮空氣可以支撐整個自行車、轎車甚至自動列車的重量。由于輪胎的表面柔韌而富有彈性，因此，當車輛行駛到顛簸的路面或遇到不平的物體時，輪胎就會像一個軟墊子一樣起到緩沖的作用。
直升飛機和降落傘都利用空氣壓力工作。直升飛機的螺旋槳旋轉時，把空氣向下推，擠壓空氣，最終獲得一股力讓直升機起飛并升上天空。
降落傘的形狀就是為了在傘下聚集和壓縮大量的空氣而設計的。這些空氣向上產生足夠強大的力，抵消下降的力，并延緩下降的速度。
氣墊船是一種懸置在氣墊上，并能在陸地和水面行駛的交通工具。
不論是眼藥水滴瓶這么簡單的東西，還是飛機引擎那么復雜的機器，都利用了將空氣壓縮至一個更小的空間而產生更大的力的原理。當你放飛一個充氣的氣球，目送它升入天空時，你也利用了被壓縮的空氣的力量。
“噴氣式”氣球
你需要準備：
● 1根繩子
● 1卷膠帶
● 1個中號氣球
● 1根吸管
游戲步驟：
1.將繩子穿過吸管，在房間內尋找兩個相同高度的點，并把繩子拉直，將兩端緊緊系在這兩個點上。
2.將氣球充氣，并用手指夾緊氣球嘴。
3.用膠帶把氣球粘在吸管下方，然后把氣球拉到繩子的一端。
4.用手指拉住氣球嘴，然后松開。
發生了什么呢？
氣球帶著吸管飛快地向前滑去。
原因解答：
當充氣的氣球封閉時，氣球里面的空氣壓力均勻地作用于氣球內壁。當氣球被松開以后，氣球內部的空氣膨脹，在后部產生一個推力，推動氣球向前。
反作用力的力量
游泳運動員每一次劃動手臂，小船劃手每一次劃槳，都向我們表明，對于每一個作用力，都有一個反作用力。手臂向后劃動，或者槳在水面劃動，在相反的方向都會有一個同樣大小的力，使游泳運動員或小船劃手向前移動。這也告訴了我們噴氣式飛機的工作原理：它的反應器引擎向外噴射出很熱的廢氣，而由此產生的反作用力十分強大，足以推動飛機向前移動。
熱空氣和冷空氣
在大氣中有大量的冷空氣和熱空氣移動，氣象衛星將這些情況拍成照片，供氣象學家們進行分析，以便預報降雨和臺風。這些大量的空氣就像風一樣，依靠大氣的反應和太陽的熱量，圍繞著地球持續流動。
空氣加熱、冷卻會發生什么？
加熱空氣和冷卻空氣
你需要準備：
● 1個氣球
● 1個空小口玻璃瓶
● 1個裝滿熱水的盆（注意別被燙傷）
游戲步驟：
1.將氣球稍微充氣，并將它套在玻璃瓶口上。
2.握著玻璃瓶，將其豎立在熱水中1～2分鐘。
發生了什么呢？
氣球發生了膨脹。
原因解答：
跟其他物質一樣，空氣也是由分子構成的，而分子是由微小的、運動的粒子組成。熱量使得這些分子分開了，這意味著玻璃瓶內的空氣發生了膨脹，因此需要更多的空間，所以瓶內空氣進入了氣球，并且使氣球膨脹。
3.打開水龍頭，用涼水沖玻璃瓶。
發生了什么呢？
氣球慢慢地縮小了。
原因解答：
因為遇冷，空氣收縮了，分子之間相互靠近了。因此，空氣占據玻璃瓶內的空間變小，使氣球內的氣體進入玻璃瓶，氣球變小。
神奇的玻璃杯
你需要準備：
● 1個玻璃杯
● 1本書
● 1塊表面光滑的木板
● 冷水和熱水
游戲步驟：
1.將木板輕輕地斜靠在書上，用涼水清洗玻璃杯，然后將玻璃杯底朝上倒放在木板的最高點。
2.用熱水沖洗玻璃杯，再把它杯底朝上倒放在木板的最高點。
發生了什么呢？
用冷水沖洗過的玻璃杯沿著木板慢慢向下滑行，最后停住。而用熱水沖洗過的玻璃杯會很快地向下滑行，然后跌落。
原因解答：
玻璃杯內的空氣被熱水加熱后，發生膨脹，使得玻璃杯非常輕微地從木板上面抬升，因此它能夠不受阻力地很快滑下木板末端。
小心空氣膨脹
在每一個氣體噴霧劑上，你都會發現這樣一個警告：“避免陽光直接照射，避免溫度超過50℃。”通過我們之前的實驗，你會知道這些警告的原因：噴霧劑里的壓縮氣體跟空氣一樣，如果受熱，壓縮氣體就會膨脹，使噴霧劑瓶炸開！
螺旋
冷空氣和它受熱時質量相同嗎？
你需要準備：
● 1張正方形的紙（邊長至少為13厘米）
● 1支鉛筆
● 1把剪刀
● 1根大約20厘米長的繩子
● 1個熱源，比如一個很熱的散熱器，或者一個電鍋（在成年人的監督下使用）
游戲步驟：
1.如圖所示，用鉛筆在紙上畫螺旋圖形，然后用剪刀沿著螺旋形的線將紙剪開。
2.在螺旋形的中心穿一個小孔，用繩子穿
過小孔并打一個結固定住。
3.將螺旋條懸掛在熱源上。
發生了什么呢？
螺旋條開始自己旋轉起來。
原因解答：
空氣被熱源加熱并上升，當上升的空氣接觸到螺旋的時候，會從螺旋條中間穿過，擠壓螺旋條并使之旋轉。
熱氣球
熱氣球中的熱空氣比大氣層中相對較冷的空氣的密度低。因此，只要熱氣球中的空氣保持受熱，熱氣球就能保持飛行。發明出利用熱空氣讓物體上升到空中的方法的是兩個法國人——艾丁尼·孟高菲爾和約瑟夫·孟高菲爾兄弟倆，在18世紀，他們利用防油紙制造了第一批熱氣球模型，并通過燃燒稻草來加熱氣球內的空氣。1783年，另外兩個法國人——讓·弗朗索瓦·德·羅茲爾和馬奎·德·阿蘭德，成為了最先乘坐孟高菲爾兄弟制作的熱氣球遨游天空的兩個人。
滑翔機
滑翔機（沒有引擎的飛機）的飛行叫做滑行。這也許是由于空氣中存在著上升的暖氣流，所以滑翔機可以在空中滑行——暖氣流的上升速度比滑翔機下降的速度要快。
滑翔機通過帶引擎的飛機或絞盤的牽引升空，然后利用暖氣流盤旋上升，最后開始滑行（也就是無動力飛行），直到遇到另一股暖氣流。飛行員的技巧在于要很清楚地了解暖氣流在何種情況下形成和發生變化，并以此來尋找滑翔機可以利用的下一股暖流，繼續保持飛行。
由于利用了空氣中的暖氣流，這種飛行有時候也被稱作“暖氣流翱翔”。
熱量如何在空氣中傳導？
空氣循環
你需要準備：
● 薄紙條
● 1把剪刀
● 1根細繩
● 1卷膠帶
注：這個實驗必須在冬天一間溫暖的房間里進行。
游戲步驟：
1.用膠帶把紙條粘在一條至少1米長的細繩上。
2.如圖所示，用另外兩塊膠條把繩子的末端固定在窗戶的兩個下角。
3.打開窗戶，使它剛好拉緊繩子。現在，開始仔細觀察紙條的運動情況。
發生了什么呢？
紙條朝房間內彎曲。
原因解答：
冷空氣進入房間，把紙條壓向房內。
4.現在，重復這個實驗。這一次，把繩子的末端粘在窗戶的兩個上角。
發生了什么呢？
紙條朝房間外彎曲。
原因解答：
冷空氣從窗戶的下部進入房間的同時，熱空氣從房間的上部向外逃逸，把紙條壓向房外。
加熱房間
熱能夠穿過冷的物體和熱的物體。在一個房間內，散熱器先把它附近的空氣加熱，然后加熱周圍的空氣。隨著熱空氣上升，它原來所占據的空間就會被質量更重的冷空氣所占據。這一部分冷空氣接著也會被加熱，然后上升，當熱空氣升到很高后，與冷空氣接觸，并加熱冷空氣。因此，熱空氣又會變冷，然后下沉。這個熱空氣-冷空氣-熱空氣的循環周而復始，這種空氣由下到上，再由上到下的運動被稱作對流（意思是“傳導”）。
保存熱量
你需要準備：
● 3個一樣的帶蓋玻璃瓶
● 羊毛巾
● 幾張報紙
● 1個與三個玻璃瓶一樣深的盒子
● 熱水
● 可以在水里使用的溫度計
游戲步驟：
1.將第一個玻璃瓶用羊毛巾裹起來。把第二個玻璃瓶放在盒子里，并用揉皺的報紙把它包起來，第三個玻璃瓶則不用任何東西包裹。
2.將三個玻璃瓶都裝滿熱水，然后測量出每個玻璃瓶的水溫，蓋上蓋子。
3.把三個玻璃瓶放在一個寒冷的地方（如陽臺上或一個寒冷的房間）30分鐘。
4.用溫度計測量哪個玻璃瓶里的水的溫度下降最少。
發生了什么呢？
水溫下降最多的是沒有包裹的那瓶水，而水溫下降較少的則是盒子里圍著皺報紙的那瓶水和用羊毛巾包裹的那瓶水。
原因解答：
羊毛巾和報紙能保存熱量，并且使瓶子與冷空氣隔絕了，這延緩了水溫的下降。
保存熱量
熱的導體有很多種，其中一種是金屬，因為它受熱后可以立即把熱量傳導出來，這就是為什么水壺的金屬柄很快就變熱的原因！自由流動的空氣向四周傳播熱量，金屬會保存并吸收熱量，這就是金屬成為優良導體的原因。
同時，我們也利用雙層玻璃窗來阻止房間內的熱量向外逃逸。玻璃窗的兩個窗格間的間隙可以保存空氣，成為一道熱空氣和冷空氣之間的屏障。羊毛衣物、填料、鳥類的羽毛、以及很多動物的皮毛都以同樣的方法來保存熱空氣。即使是雪也能成為隔熱層，保護動物和植物的種子不受危害性霜凍的侵害。
熱空氣和冷空氣產生的壓力相同嗎？
誰在擠壓塑料瓶？
你需要準備：
● 1個有蓋的1．5升空塑料瓶
● 熱水
游戲步驟：
1.將塑料瓶裝滿熱水。
2.等待幾秒鐘后，將塑料瓶里的水倒空并迅速蓋上瓶蓋。
發生了什么呢？
你會發現，塑料瓶變扁了，就好像有一雙手在擠壓瓶身！
原因解答：
塑料瓶里的空氣因為受熱膨脹變輕，因此對內壁產生的壓力比瓶外空氣對外壁的壓力小，所以，塑料瓶外的空氣擠壓瓶子，使之變扁。
高空俯瞰圖
地球周圍環繞著無數的對流氣流，它們是由太陽的熱量引起的。空氣持續不斷地從溫度較低、空氣質量較重的高氣壓區（如南極和北極地區）流向溫度較高、空氣質量也較輕的低氣壓區（如赤道地區）。這些大量空氣的運動形成了風，溫度也不斷發生變化。這就是氣象學家和氣象預報員認真研究它們的原因。在低氣壓區，我們可以預測到降雨天氣，因為空氣上升，聚集在一起形成云朵；在高氣壓區，我們可以預測到干燥的天氣，天空晴朗，陽光燦爛，因為風把云推向該區域的外部。
∧歐洲的一張衛星云圖顯示：英國上空有一個氣旋。
風有多大的力？
空氣的推力
你需要準備：
● 1張卡片
● 1支鉛筆
● 1把剪刀
● 1個圖釘
● 1根小木棍
游戲步驟：
1.如圖所示，把紙剪成圖中的形狀。
2.把圖中的陰影部分折起來，做成風車。
3.把風車的中心點用圖釘釘在小木棍上。
4.確保風車能夠自由地旋轉。拿著小木棍，使風能吹到風車。
發生了什么呢？
風車飛快地旋轉。
原因解答：
空氣吹到卡片上時，就會對著卡片聚集一起，但是被卡片的4個角阻擋了。風對卡片的4個角的推力讓風車不斷旋轉。風車房和風力農場里風力機器的工作原理與此相同。風吹在可以被推動的阻礙物——帆的表面，可以使它轉向。在風力農場里，風能被轉化為電能。
龍卷風
低氣壓區，也被稱為氣旋，比高氣壓更多變，并且能形成旋風。根據產生地的不同，旋風也被稱為臺風或颶風。熱帶氣旋是地球上已知的破壞力最強的氣象現象，它能夠造成徹底的毀滅，摧毀任何擋在它前進道路上的東西。在旋風里，風圍繞著叫做“旋風眼”的中心點以高達500多千米的時速飛快旋轉，而在旋風眼中心，氣壓較低，天空晴朗，空氣平靜。