實驗教學
浮冰
材料需要﹕
清潔塑料集裝箱( 例如大的人造黃油澡盆)
冰箱電冰箱
水
洗滌槽
統治者
毛巾
冰山是已經從冰河或者磁極的冰圖表停頓的大的冰。組成主 要是凝固了的水或鹽水,它們能浮在水面很多年。在這個實驗過程中你將要制造一大塊冰并且使用它了解更多的冰山。
用水充滿一個幹凈的膠集裝箱四分之三。把充滿水的集裝箱 安置在一臺電冰箱裏和那裏離開它直到全部水已經結冰 (一夜已經足夠).
從電冰箱除去裝箱并且將它放于廚房的一方。用水差不多充 滿這個洗滌槽。從集裝箱除去這大的冰。如果冰很難取出﹐ 把這集裝箱放在水裡, 直到這大的冷凍食品是鬆動的。
把這大的冰安置在水裏。它下沉還是浮呢﹖使用一尺測量在 水的表面上面粘住的冰的高度﹐如中所示。當它正浮時﹐ 下一步﹐ 從水除去冰并且如同地在頂將它放于一條與相同的 邊緊挨著這個洗滌槽的毛巾上。現在測量冰的總厚度。
為了計算百分比浸在水裡( 低于水的表面的冰)首先分水界高 度是高于由冰的總厚度引起的水的表面的冰。乘以這數目 100 得到在水的表面上面浮的冰的百分比。從100 中減掉這 百分比給你浸的冰的百分比。例如如果0.8 在裏。2 厘米)因 為冰在水的表面還是冰的總厚度是7。9 上面浮。20 厘米) 然后10% 0.8 /7.9 x 100%=10% )之中冰在水和90% 的表面上 面浮100%-10% =90% )冰是在表面下面。
水是一種不平常的物質因為固體水( 冰)對比液體水有更低的 密度。對大多數物質來說﹐ 流動形式比固體形式較低濃度。 密度是一種物質( 質量) 的對空間數量的比率(體積)通過這種 物質接受。為了幫助驗證﹐ 想象你有1 茶杯( 0.24 l)內有兩種 不同的液體。我們叫它們液體A和液體B。液體A如比液體B 有更大密度,這樣液體A就比B重。對在另一個方法內想,說 如果液體A和B有同樣的重量,而A比B更高濃度,這樣液體A會 比B有更細的體積.
物質將在一種更濃的物質上浮。這是為什么冰在水上浮。對 差不多所有每種物質來說﹐ 固體形式將在流動形式裏下沉。
在這個實驗過程中你應該發現80% 到90% 的冰是浸在水中。 這百分比將不同依靠空氣陷入冰數量。更多的空氣被困住﹐ 更低的密度,冰浸在水的百分比更少。由沒有空氣的水制 造成的冰會浸在純水裏的90%。
磁極和非極性的液體
材料需要﹕
氣球
下沉水龍頭
羊毛毛線衫
鋼筆
紙張茶杯
煮石油
你想知道為什么水和油不混合,肥皂怎樣對付的肥的污漬 ? 為了了解更多的水和油的性質,試驗這個實驗。 (注意 ﹕這實驗最好學習最涼爽, 枯燥, 濕度低的日子。)
首先將一個氣球膨脹并且將它縛好。打開一衹洗滌槽水龍 頭并且調整它的氣流得到一條薄的水柱。在一件羊毛毛線衫 上或者在你的頭發上摩擦這個氣球令這個氣球帶電,將氣球 移近水溪。發生了什麼事?
下一步, 使用一支鋼筆在一紙杯的底部裏打孔。拿這個紙杯 在這個洗滌槽上方并且對這個茶杯增加煮油直到一條油的薄 的溪開始從洞流動在底部裏,如圖A.中所示。 當你把一個帶電的氣球放近油的柱,什么將會發生﹖
水和油由分子組成。分子是通過化學契約緊密粘合在一起 的原子的綜合體。一個分子的好類似是一句話, 是一種的綜 合體。
在分子內含有正負電荷。如果在一個分子方面的那些正負電 荷不被平均分配, 分子的一端將稍負而另一端會稍為正。帶 電分子的一端被叫為磁極的分子。如果在一個分子方面的 那些正負電荷平均被分配, 分子是非極性的。
關于毛線衫摩擦氣球(或者在你的頭發那裏內)引起電子從 毛線衫移動并且在這個氣球上收集,令這個氣球帶電。因為 電子是負的,這個氣球變得帶電。你在這個實驗過程中使用 一個帶電氣球獲悉水和油是磁極和非極性的。
當帶電的氣球使接近水的柱, 柱對于這個氣球彎曲,顯示水 那些水分子被氣球上的負極吸引。如果這個氣球有一個正 電荷而不是負電荷, 什么將發生﹖從油的柱不被帶電氣 球影響, 我們可以推斷油一定是非極性的。
大部分我們叫灰塵的都由油和油脂組成。比將不溶解衹有 水油和油脂因為水磁極并且"溶解象一樣為了水的肥皂或 者洗滌劑﹐無論如何﹐ 將引起油并且油脂溶解。
肥皂和洗滌劑分子是一致的,因為他們的每一個包含一條 大非極性的尾巴和小的﹐磁極的頭。當磁極的頭與水結 合時﹐ 非極性的尾巴兼有油和油脂。圖B 顯示怎樣肥皂 或者洗滌劑分子 引起油在水裏溶解。當你看見這圖﹐ 一 個細小的油粒子的很多肥皂或者洗滌劑分子棍的非極性的 尾巴裏看見。被懸挂的油粒子能現在被用水衝掉。
皮膚補濕
材料需要﹕
兩個乾淨的塑料杯
水
筆
煮油
在美國, 人們費幾十億美元在洗劑和護膚品上來保濕并且減 少皮膚的乾燥。如果你在幾瓶洗劑或者護膚品上讀那些標簽﹐ 你或許將發現每一個包含許多成分﹐科學名字很多。不 管成分,最補濕的東西是十分簡單﹐你將在實驗過程中探索。
把二個塑料杯盛滿一半。使用一支筆把其中一個杯標籤為A. 另外一個就是B.此外﹐ 在每個杯外面標明水平面。 緩慢倒 煮油進杯B直到水的表面正為油所覆蓋。把兩個茶杯安置在 他們將不被擾亂的一個溫暖的地方。在一星期內每天觀察水位。你在這個時候注意到水平面內什么變化﹖什么你認為將 在幾周之后發生﹖
你應該發現在杯A中,水平面降低,而在杯B內沒有顯著的改變. 水容易從杯A蒸發,杯B內的油層可以防止水從杯蒸發。
水和油不混合﹐ 因為他們的分子不互相吸引。水分子是磁 極,油分子是非極性的。相似的分子互相吸引。不相似分子 此沒有什么吸引力。水和油是不同的分子。
水分子強烈互相吸引。這是為因為水是在正常狀態下的一 種液體。在蒸發時, 水分子必須有足夠的能量離開其他分 子的吸引力。杯A的水蒸發,因為那些水分子吸收來自空氣 的熱量。
與水分子可蒸發相比較﹐ 油分子要求更多的熱能量。通常﹐ 當它被加熱到一高溫時﹐ 煮油才會蒸發。這是為什么煮油 不從茶杯B 蒸發。
有些水分子在杯B內有足夠的能量離開其他的粒子的吸引 力。當這些分子努力逃脫時﹐ 他們在水的表面上碰到油分 子。他們不能通過這層油分子并且不蒸發。
護膚品和洗劑﹐ 一般包含無機物油或者油果子凍﹐ 同樣地 工作作為在在這個實驗過程中的水的這層油增加水分。 他們幫助防止水從皮使脫水。
健康的皮含有大約10% 水分。當皮低水分含量時﹐ 它變得 幹燥和片狀。皮膚通過形成一層油保護它自己免于水的損 失。這種自然的皮油可能以及通過洗滌而流失。 護膚品和洗劑增加皮內的水分或減慢水分流失的速度.
水的蒸發
材料需要﹕
爐
油炸鍋
匙
水
烤爐手
在這實驗你將觀察什么將會發生當跌水接觸到一個熱的金屬 表面。 把一個發熱器設定為高溫大約10 分鐘令它變熱。小心不要觸 到發熱器。對發熱器加一細水滴。不要對發熱器加太多水滴。 增加更多的水滴并且觀察他們的現象。關上發熱器并且允許 它冷卻。
水的沸點﹐212°F (1OO°C), 是液體的水轉成水蒸汽的溫度. 因為發熱器的溫度或許是超過400°F(204°C),你可以想到一 滴水將立刻轉換成蒸汽。你或許觀察在發熱器上的水滴好像 在發熱器上周圍溜冰﹐ 它發出一個嘶嘶作響的聲音。水這驚 人的行為令科學家發現一個熱表面被叫為Leidenfrost 的效應。 當水滴和金屬表面﹐ 外部層建立聯系﹐ 水滴的外層開始蒸發 ( 使從一種液體轉換成一氣體).當時這水蒸汽提供澆水層氣體 。這種氣體也從發熱器到更涼爽的液體水。因此﹐水滴不立 即蒸發而是要花費幾分鐘完全地改變到水蒸汽。液體轉換成 蒸汽﹐ 和下降逐漸消失。在Leidenfrost 效應裏﹐ 僅僅觸熱表面的下降那部分轉換成蒸 汽。熱不流過氣體好像不流過水一般。因此﹐水滴通過這蒸 汽與熱表面絕緣進。
你看見走過熱煤的人們的照片或是影片了嗎﹖(不要嘗試 或者走在熱煤)Firewalkers 怎樣制止他們的腳自焚﹖讓我們 討論幾個原因﹕首先﹐ 這層煤有一高溫﹐ 但是火熱的層十 分薄。熱能量沿著一層合適的煤的頂是不高的,因此這些煤 總熱量不太高。其次﹐ 腳的成分主要是水﹐ 水能儲存 許多熱能量。因此﹐ firewalker's 的腳能沒有自焚而吸收一 定量熱。第三﹐Leidenfrost 效應幫助絕緣firewalker's 的腳。 在腳上的汗或者水分轉換成蒸汽和吸收能量。正如你從實驗 所知﹐這蒸汽能呈一層絕緣。下面的這種氣體 幫助保護 腳避免熱的灼傷。但是﹐即使我們理解firewalking 的科學﹐ 它應該僅僅被特別地在這項唯一的活動裏訓練。
水的濕透性
材料需要﹕
蠟紙
匙
水
洗滌液體
在這實驗你將探索為什么潮濕的水在傳播時會弄濕一個表面。
把一片大約一篇筆記的尺寸的蠟紙放在一個平坦的表面上。 使用一個大約1 茶匙的( 5 ml) 水在蠟紙的表面珍成一個水 珠,然後移動蠟紙。觀察水珠怎樣通過表面移動。摸摸蠟紙 有水的地方。你感到濕嗎﹖
現在﹐把水珠移動到蠟紙的中心。對水珠的中心增加一洗 滌液水滴。有什麼事發生﹖
舉起蠟紙的邊緣使水通過表面移動。摸有水的一點。感到 怎樣﹖
你應該發現水珠沒有弄濕過蠟紙的表面自由移動。那些水 分子在齊心協力以一點的形式停留。蠟紙不感到潮濕甚至。
在洗滌肥皂滴被增加給水之后﹐ 水的行為應該非常不同。 肥皂的水混合物應該分散在表面而不是呆在一小的水珠。 當你觸水已經經過的表面時﹐ 或許感到潮濕。水沒弄濕 蠟表面。但是﹐ 肥皂水卻不是。
水分子有磁極﹐ 表明他們的每一個有一陽極和一陰極。 在蠟紙上的蠟的分子是非極性的﹐這表明他們沒有正和負的 一面。磁極的分子將與其它磁極的分子混合﹐ 正如非極性的 分子將與其它非極性的分子混合。但是﹐ 磁極的分子不與 非極性的分子混合。水和蠟紙不混合。那些水分子以一顆小 珠的形式呆在一起或者使他們的與蠟紙的聯系減到最小。 他們不在表面上傳播。
肥皂有一個磁極和一個非極性的部分。一個肥皂分子中長形 的部分好像蠟分子的叫做尾,而短的部分和水分子相似的叫做 頭。一個肥皂分子的頭是磁極的﹐ 而它的尾巴是非極性的。
當肥皂被加水時﹐ 它令水濕了蠟紙的表面。那些肥皂分子 的頭吸引水﹐ 或者與水混合。而肥皂的尾巴吸引蠟,或與蠟 混合。自從這塊肥皂被吸引到水和蠟﹐ 它引起水通過蠟紙 的表面傳播。
科學家將一滴水的上方擺放磁極物質,在水滴下方擺放非極 性物質,這令水滴以反地深吸力向上移動。因為水被磁極那 方吸引。
有時我們想要制造不會被水濕的表面。例如﹐ 汽車的蠟習 慣使用非極性表面,這樣可使水滴反彈,而不會弄濕水面。玻 璃有時被塗上非極性物質因此水將不會沾在玻璃上而令玻 璃模糊
有時我們想要改變液體﹐ 以便他們可以容易被弄濕。油污 能令海洋污染和破壞自然環境,危害海洋生物;其中一個解決 辦法是在油污上加上表面活性劑,表面活性劑的分子同時有 磁極和非極性的部分,所以表面活性劑可以有助使油污和水 混合,不會影響自然環境。
折射
材料需要﹕
塑膠盤
洗滌槽
水
鎳
玻璃
鉛筆
你認為你能彎曲光嗎﹖在這個實驗過程中你將努力使用水使 光圍繞一個角落走。 把一位空的塑膠水壺安置在一個洗滌槽裏,放在一個水嘴下面 以便不需移動它便對水壺加水。把一塊鎳放進盤的底部。移 動鎳直到它正接觸水壺的邊緣和正向洗滌槽的前面。在壺上 方嘗試看直至在壺內看見鎳。現在﹐ 緩慢向後移動你頭。你 必須在整個實驗中保持冷靜,把頭的位置保持。 保持你的頭穩定﹐ 開水龍頭允許水流動。當水充滿壺﹐ 繼續 在壺的底部看起來。當水已經差不多地充滿壺時﹐ 關上水龍 頭停止水。不要移動你的頭。鎳在哪裏﹖你能看見它嗎﹖ 你或許觀察水已被加給壺﹐ 鎳好像移動。當壺沒有水時。 你看不到那鎳因為壺的邊緣阻住了你的視線。但是﹐ 當壺充 滿水時﹐ 即使你沒移動你的頭﹐ 你會能看見鎳。你能解釋這 種變化嗎﹖ 為了你在壺的底部內看見鎳,鎳反射的光線必須到達你的眼睛。 光正常以正線行走,當壺沒有水時,光線不能反射到你的眼內,因 為壺的邊緣阻擋了光線,所以你不能看見鎳。但是﹐當水加到壺 時,光不再以直線行走,它被彎曲了。
光線被彎曲當光射在水上或從水中射出﹐折射,光的彎曲,會發 生當光由一物質到另一物質,因為光波在水裏行得比在空氣裏 更緩慢。光線在兩地不同的速度會產生角度,令光線彎曲。
科學家以折射率作光線彎曲的程度,折射率是光在真空裡的速 度與光在物質上速度的比率。折射計能夠量度光彎曲的程度。 量度折射率是科學家用來分別不知明液體的一個方法。當光 從空氣穿過玻璃,它就會被彎曲,不同顏色的光有不同彎曲的程 度,也因為此,白的光會被折射出彩虹的顏色:紅,橙,黃綠,青,藍, 紫。
吸收微波
材料需要﹕
兩個微波安全的容器
測量杯
糖
水
微波爐
烤爐手套
煮食溫度計
你想知道一個微波爐怎樣煮食嗎﹖在這個實驗過程中你將比 較通過糖和水吸收的微波能量而了解更多微波爐煮食。
把糖(0.24 l)放在一個微波安全的容器。把水(0.24 l)放在另一個 微波安全的容器。決不把金屬物件放入微波爐他們能損壞微波 爐。把這兩個容器放進微波爐以高溫加熱兩分鐘。使用一個烤
爐手套把它們取出並放在桌上。 把一個煮食溫度計放進盛糖的容器。等待大約20 秒後觀察一 下溫度。糖的溫度是多少﹖把另一個煮食溫度計放進盛水的容 器。等待大約20
秒後觀察一下溫度。水的溫度又是多少﹖
你會發現到加熱後糖的溫度比水高。水的溫度會大約150°F (66°C)以上。但糖的溫度可能不變或只是上升少許,所以糖的 溫度和室溫差不多。
微波是一種電磁能量。微波爐使用這能量煮食。 微波的能量被 食物中的水分子吸收,令水分子更活躍。這些水分子的活躍運動 令其它水分子也活躍起來。這就是令食物更熱和熟的原因。 也因為乾的糖不含水分子,它不能吸收微波的能量。微波能不使 玻璃和紙張加熱而穿過它們。金屬物件會把微波反射並損壞微 波爐,而微波爐的內壁是以金屬製造以反射微波使食物更快熟。
一根特別的電子管叫磁控管用來把電能轉化成微波能量。 微波 通過一把金屬的風煽進入微波爐。微波爐的優點是它比一般電 飯爐更有效率和迅速。在一般電飯爐裡有一條電熱管,當電流流 過時便會因為有電阻而加熱。 水的數量愈多,吸收微波的能量愈多,即是,愈多水,食物便愈快 熟。其他液體好像油也會吸收微波,但也不像水般快。
電磁波可以透過物質,也可被物質吸收,X-光,用於人體內部素描, 可穿過空氣和紙 , 但會被水吸收和被金屬反射。
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