第2章 走进奇妙的科学世界(1)

不动如山——鸡蛋稳稳落入杯子中

浩浩刚刚看完杂技表演回来,就迫不及待地对爸爸说:“爸爸,杂技太刺激了,那些杂技演员太厉害了,我从来没有见过那么厉害的表演。”

爸爸问:“都是什么样的表演啊?”

浩浩说:“杂技演员把桌上的台布一下子抽掉,然而台布上放着的瓶子、玻璃杯等等很多的东西,都原封不动地停在原处,并没有被台布掀到地上去。哇,真是太刺激了!”

爸爸笑着说:“这一手看起来很厉害,是一个绝活,其实要做到这点并不难,只要有熟练的技巧就行。”

浩浩说:“难道你也可以做?”

爸爸说:“那需要反复地练习,不过我能做一个简单的、类似的杂技。”

爸爸从茶具上拿下来一个玻璃杯,倒上半杯水,又从书房拿出了一张硬纸片、一只做针线活的顶针,紧接着又从厨房的饭橱里拿出一个熟鸡蛋。

同学们,看书的同时你也可以来做一个类似的小实验,先把倒上水的玻璃杯平放到桌子上,用硬纸片盖住水杯,硬纸片上面放顶针,最后再把鸡蛋竖在顶针上。

摆好之后,认真地想一想,如果把硬纸片抽掉,鸡蛋会不会掉在桌子上?

可能你觉得会,但是我告诉你,不会。

你只要用手指迅速地在硬纸片边上一弹,或者用很快的速度抽掉硬纸片,这个实验就完成了。硬纸片飞出去之后,鸡蛋和顶针一块儿掉到水里,水减弱了鸡蛋下落的冲击力,避免了蛋壳破碎。

为什么鸡蛋恰好掉在杯子里面呢?

这是由于鸡蛋有惯性,鸡蛋原来是静止不动的,如果没有外力推动它,鸡蛋还会保持静止不动。硬纸片被弹走的时间非常短暂,对鸡蛋的作用力也比较小,鸡蛋还没有来得及获得较大的速度,硬纸片已经滑出去了,失去了支撑的鸡蛋就垂直地落入杯中。

这个实验可能有点难,那就做一个更简单的实验,用手掌托着一张硬纸片,上面放一枚硬币,用另一只手的手指把硬纸片一弹,硬币就掉在手心里了。

浩浩说:“这是什么原理呢?”

这是利用物体的惯性定律,惯性又称牛顿第一定律,一切物体在不受外力作用时,总保持匀速直线运动状态或静止状态。物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的一种性质,我们把这个性质叫作惯性。

在自然界中,一切物体都具有惯性,惯性是物体的固有属性。惯性是物体的一种属性,而不是一种力。所以不能说“受到惯性”,只能说“由于惯性”或“具有惯性”。

比如,纸飞机离开手之后,还能继续飞行,就是由于惯性。

奇趣小知识:

我们常常看到跳远运动员在起跳之前,往往会助跑一段距离,就是利用了惯性原理。在助跑的过程中,速度不断加快,最后跃身而起,在惯性的作用下,会飞出一段很远的距离。

生活中,抖掉雨衣上的雨水或者衣服上的灰尘;将锤柄在石头上碰几下,锤头就套紧在锤柄上了;将盆里的水泼出去,同样是利用惯性原理。

不动声色——鱼缸巧换水

星期日的时候,爸爸交给浩浩一个任务,让他把家里的鱼缸彻底清洗一下,清理鱼缸内的粪便、杂物等,换换绿色植物、水,给金鱼一个好的环境。

浩浩看了看鱼缸,说:“这太麻烦了,要一桶一桶地将水往外舀,再一桶一桶提到墩布池倒掉,太慢了。”

爸爸笑着说:“你可以动一下脑筋,想想有没有快一点的方法啊。”

浩浩说:“能有什么方便快捷的办法?”

爸爸说:“你可以自己上网去查资料。”

浩浩打开电脑,认真地查起来。果然,他发现了一个非常实用的方法,这个方法是利用虹吸原理,利用这个原理,可以解决给金鱼缸换水的麻烦了。浩浩非常高兴,决定付诸行动。

爸爸在一旁提醒,“你打算怎么操作呢?得先想明白了。”

浩浩点点头,拿出自己的本子,将步骤列出来:

1.先去小区里的自选超市购买一根足够长的塑料水管,价格不贵,可以一直使用;

2.将塑料水管的一端埋入鱼缸,不要让它露出鱼缸水面,另一端接到家里距离鱼缸最近的水龙头,套紧。需要注意的是,这个龙头下面一定要有排水池。另外,要保证塑料水管正好套住水龙头,粗了细了都不行,一定要刚刚好。

3.打开水龙头往鱼缸里注水,同时摁住鱼缸一端的水管,千万不能让它露出水面;

4.当看见塑料水管里面的水流入鱼缸后,就可以把水龙头关上,把塑料水管拔下。这时,鱼缸里的水就往水池排出,一直到把鱼缸里的水排完。

与此同时,浩浩写下了注意事项:鱼缸要高于排水管;整个过程都要保证不要让鱼缸一端的水管露出水面。

列出这些步骤之后,浩浩开始付诸实践。半个小时之后,顺利地完成了任务。

虹吸原理究竟是怎么回事呢?

简单来说,虹吸现象是液体分子间引力与位能差所造成的,也就是利用水柱的压力差,使水上升后再流到低处。在这个过程中,由于管口水面承受不同的大气压力,水会由压力大的一边流向压力小的一边,直到两边的大气压力相等,容器内的水面变成相同的高度,水就会停止流动。

在生活中,发生虹吸现象时,由于水管内往外流动的液体比流进管子内的液体多,两边的重力不平衡,因此液体就会继续沿一个方向流动。当液体流入管子里,越往上压力就越低。如果液体上升的管子很高,压力会降低到使管内产生气泡,这些气泡由空气或其他成分的气体构成,虹吸管的作用高度就是由气泡的生成而决定的。由于气泡的本身特点,会使液体断开,气泡两端的气体分子之间的作用力减至零,从而破坏了虹吸作用,因此管子一定要装满水。在正常的大气压下,虹吸管的作用比在真空时好,因为两边管口上所受到的大气压提高了整个虹吸管内部的压力。

简单地归纳一下,利用虹吸原理必须同时满足三个条件:

1.管内先装满液体;

2.管的最高点距上容器的水面高度不得高于大气压支持的水柱高度;

3.出水口必须比容器的水面低。这样使得出水口液面受到向下的压强(大气压加水的压强)大于向上的大气压,保证水的流出。

明白了这个原理之后,浩浩高兴地说:“我又学到了新的知识。”

奇趣小知识:

在现实生活中,虹吸原理有着很广泛的运用,一些水利专家利用虹吸原理,将河、湖等内的水排出,节约了机械设备的使用量与电能的消耗,十分有效地解决了很多问题。在家庭生活中,楼顶、屋面排水系统,基本上也是按照虹吸原理设计的。

飞檐走壁——氢气球能飞多高

去公园游玩的时候,爸爸给浩浩买了一只氢气球,并告诉浩浩不要松手,不然气球就会飞走。

结果,在看到有人玩过山车的时候,浩浩一时间高兴,忘记了手中的气球,撒手之后,气球慢慢地上升了。

浩浩问:“爸爸,气球为什么会飞走啊?”

爸爸说:“因为气球内部的氢气比空气轻,所以就会往上飘。”

浩浩问:“那气球还会落下来吗?”

爸爸摇摇头。

“那气球会飞到天上去吗?”浩浩问。

去公园游玩或者在节日的时候,经常能看到街头有人卖氢气球,卖氢气球的人身边的自行车会飘满氢气球,而且个个似乎都在争先恐后地往上飘,只是因为被拴住了,无法脱身。

气球为什么能飘起来呢?这是因为气球里面装的是氢气,氢气是世界上已知的最轻的气体。它的密度非常小,只有空气的1/14,氢气的密度为0.0899克/升。

卖氢气球的人会带着一个装有氢气的钢瓶,只要把气球的口套在钢瓶的嘴上,一拧开气瓶的开关,气球就会鼓起来。

这个时候,你一定要小心地抓住系气球的绳子,一旦松手,气球就会冉冉上升,越飞越高。

那氢气球一直飞,会飞到哪里去?会飞多高呢?会不会飞到太空之外呢?

问题的答案是不能。

氢气球飞到一定的高度就停止了,在大气层中就像有一块无形的天花板挡住了它一样,更不能飞离地球,飞向太空。

氢气球上升的原因是,氢气比同体积的空气轻,空气的浮力使它上升。浮力的大小等于氢气球排开的那块空气的重量。所以空气的密度越大,浮力也就越大。气球越向上飞,空气稀薄了,浮力就减小。到了一定的高度,气球的重量正好和浮力相等的时候,气球就不再上升,好像碰到天花板一样。

这是质量比较好的气球,如果碰上质量不好的气球,可能来不及到达“天花板”就会胀破。这是因为,高空中越来越稀薄的空气,对气球的压力越来越小,气球内部的气压较大,气球会不断地膨胀,最后把自己胀破了。

在爸爸的讲述下,浩浩明白了。

他问:“爸爸,那经常有人坐大气球上天,是不是也是这个原理?”

爸爸说:“是同样的原理,但是那里面不是氢气,而是氦气。”

能载人载物的大型气球,里面装的是氮气,大型气球的外皮非常结实,不用担心会胀破。气球上装有阀门,可以随时放掉一些气体,来控制飞行的高度。气球的吊篮里还载有一些重物,人们要让气球飞高一些的时候,就扔下一些重物;让气球下落的时候,就放掉一部分气体。

氦气比空气轻,而且不会像氢气那样易燃易爆,只是价钱比氢气贵得多。

奇趣小知识:

通常状况下,氢气是没有颜色、没有气味的气体。盛满氢气的集气瓶瓶口应朝下放置,这是因为氢气比空气轻。另外,氢气能够燃烧,不纯净的氢气点燃会发生爆炸。因此,尽量不要让氢气球碰到明火。

可乐喷泉——人间的另一道美景

爸爸出差回来,给浩浩表演了一个小魔术,让浩浩激动不已。

爸爸拿出一瓶可乐,外加几颗薄荷糖。

爸爸说:“我只要将整个薄荷糖放进可乐中,几秒钟之后,我只要一运功,可乐就会像喷泉一样喷出来,非常壮观。”

说干就干,爸爸将几颗薄荷糖小心翼翼地放进可乐中。接下来,爸爸故作神秘地运功,只见他轻轻地将双臂一抬,一根硕大的可乐柱便从可乐瓶中喷涌而出,非常好看。

一会儿之后,可乐柱没有了,喷完后的可乐瓶中也只剩下了小半瓶可乐。

浩浩在一旁手舞足蹈。

他问:“爸爸,这是怎么回事?”

爸爸开玩笑说:“爸爸是退隐江湖的武林高手,刚刚是我的降龙十八掌的掌风打出来的喷泉。”

浩浩听完后哈哈大笑。他明白爸爸是在和他开玩笑,可这可乐变喷泉是怎么回事呢?

可乐喷泉是一种非常有趣的游戏,这个游戏的吸引人之处在于它能产生10至50厘米的“沸腾水柱”,场面非常壮观。曾经有两位美国人以此为基础,复制出着名的赌城拉斯韦加斯的一座巨型喷泉。他们购置了530多块薄荷糖及110多瓶2升的可乐,在每个可乐瓶子中放入约4至5粒薄荷糖,最终,一共用去523颗薄荷糖和101瓶可乐。可乐在糖果的作用下,大量喷发,形成高达2米的水柱,场面非常壮观。

到目前为止,最大规模的可乐喷泉出现在2010年8月21日,是由墨西哥人创造的。当天参与活动的有2400多人,共同利用薄荷糖加可乐制造壮观的喷泉现象,2400多人同时把薄荷糖放进了眼前的可乐瓶中。顿时,现场出现了2433个2米多高的可乐喷泉。

那么,可乐喷泉是怎么回事呢?

科学家经过研究后发现,薄荷糖的主要成分是阿拉伯胶和结冷胶等食品添加剂,这两种物质的存在能够提高薄荷糖的黏度和柔软度,这两种物质在入水后会立即释放出凝胶和树脂,凝胶和树脂会破坏可乐液体的表面张力,而薄荷糖里有很多细密的微孔结构,是形成二氧化碳泡沫的理想场所。薄荷糖中所含有的阿拉伯胶会让水分子的表面张力更容易被突破,使可乐以惊人的速度释放更多的二氧化碳,所以能喷那么高。

除此之外,薄荷糖含有许多果胶类物质,这类物质的孔隙结构和碳酸发生物理反应,会加速二氧化碳的释放速度。在生活中,如果同时食用这两种物质,大量的二氧化碳在胃里释放,会增加胃的负担,造成胃部胀痛,对健康没有任何好处。

在现实中,同样可以做到可乐喷泉,新开启一瓶可乐,喷泉效果会随着薄荷糖的量的变化而变化。打开之后迅速投入四颗薄荷糖,也可以投入更多,这样喷泉的效果会更明显,然后要迅速撤离。需要注意的是,由于薄荷糖和气体喷发时压强较大,最好选择在空旷的地点完成,同时要远离各种电器。

奇趣小知识:

在日常饮食中,最好不要同时食用这两种食品,以免引起胃胀等不良反应。

水上漂——水珠漂浮在水面上

小区物业为了改善小区环境,为居民提供了一处赏心悦目的景观——喷泉,这乐坏了浩浩。只要有时间,浩浩都会去喷泉边和小朋友们玩耍。

水从高处向上喷出,再四面散开落入水池中,有的时候工作人员会在水中加一些溶剂,还会变成彩色喷泉,非常漂亮。