未分类 · 2020年3月2日 0

Pop走向金属:温度如何影响跳跃盘的快照时间

难度 <! - 4 - >
所需时间 平均(6-10天)
先决条件
材料可用性 该项目需要购买双金属跳盘。有关详细信息,请参阅材料和设备列表。
费用 非常低(低于20美元)
安全 在使用吹风机作为热源期间需要成人监督。如果使用不当,吹风机可能会导致灼伤或火灾,不应由小孩独自操作。

请勿在易碎或易划伤的表面上使用跳盘.

摘要

跳跃的光盘可以成为一个有趣的玩具,并且突然出现POP!它们甚至可以成为让以前从未听过它们的人吃惊的好方法。跳跃的光盘使用一个巧妙的技巧来跳跃。它们由两种不同类型的金属制成,这些金属在加热时会膨胀(或在冷却时会收缩),但不会完全相同。在这个科学项目中,您将探索温度如何影响您的跳跃盘的反应 – 以及如果您想让某人跳跃,如何正确地计时!

目的

测量表面温度对跳跃盘跳跃所需时间的影响。

积分

Ben Finio,Ph.D.,Science Buddies

引用本页

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科学伙伴。”Pop走向金属:温度如何影响跳跃盘的拍摄时间。” 科学伙伴,2018年4月27日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Phys_p094/physics/metal-jumping-disc。2019年7月6日访问。

APA风格

科学伙伴。(2018年4月27日)。 Pop走向金属:温度如何影响跳跃盘的快照时间。从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Phys_p094/physics/metal-jumping-disc


最后编辑日期:2018-04-27

简介

如果您看过跳盘,您可能会认为这只是一个简单的玩具。你怎么可能用一个科学实验?事实证明,跳盘使用一些非常巧妙的技巧来依赖于材料的某些特性。它们如何工作实际上取决于温度。因此,在这个项目中,您将检查它们所处的表面温度如何改变它们跳跃所需的时间。如果您之前没有看过金属跳盘,请在继续之前观看此视频:

此视频显示双金属跳盘的基本操作。

跳跃盘所依赖的第一个技巧是大多数材料在加热时会稍微膨胀,在冷却时会稍微缩小(见图1)。这被称为热膨胀(”热” 意味着与热或冷有关)。请注意,工程师通常只是说”热膨胀” 以节省时间,而不是”热膨胀和收缩” 。我们在日常生活中往往不会注意到热膨胀(你可能从未注意到,当你在寒冷的日子里进来时,自己会变得更高,对吗?)。通常情况下,物品只能以微小的数量扩张或收缩。然而,仅仅因为我们通常不会注意到热膨胀并不意味着它并不重要。在设计大型道路,桥梁,建筑物和铁路轨道时,工程师必须考虑热膨胀(在网上搜索”热膨胀铁轨” 的图像 – 你看到了什么?)。热膨胀也很有用 – 你见过里面装有液体的温度计吗?液体在加热和冷却时的膨胀和收缩可用于测量温度。

热膨胀图示
图1。热膨胀(和收缩)意味着大多数材料在变热时会膨胀,在变冷时会收缩。通常,膨胀或收缩的量非常小 – 我们在这里夸大它以使其更容易看到。

关于跳盘的第二个技巧是它们是双金属,这意味着它们是由两种不同的金属制成的(前缀”bi” 表示”两个” )。这两种金属经历不同的热膨胀量 – 因此当它们粘在一起并加热时,它们会弯曲(见图2中的图示)。这个概念用于您家中的断路器等应用.断路器使用双金属片,电流通过它。当过多的电流通过带材时,它会变热并弯曲 – “断开” 电路并阻止电流流动。这是一种安全措施,可以防止家中的电线过热而导致火灾!

热膨胀双金属条
图2. 双金属条由两种类型的金属(图中的浅灰色和深灰色)制成,具有两种不同的热膨胀程度。如果金属没有粘合在一起,那么它们将自由膨胀不同的量 – 在该图中,浅灰色条带比深灰色条带(顶行)膨胀更多。但是,如果金属粘合在一起(如黑条所示),它们就不能自由膨胀。浅灰色条带仍然会膨胀更多 – 迫使整个条带弯曲(底行).(Wikimedia Commons用户Bemoeial,2004)

双金属跳盘的工作方式与双金属条相似,只不过它们是圆形的。然而,跳跃盘不是完全平坦的 – 它们在一个方向上略微弯曲。当它们被加热超过一定温度时,跳跃盘在另一个方向上”快速穿过” 。然后,当它们冷却下来时,它们会快速恢复到原来的位置 – 这很快就会发生,这就是光盘跳跃的原因!该过程如图3中的步骤A至F所示。

跳跃式光盘突破过程
图3. 该图显示了跳盘的横截面,其曲线被夸大以使跳跃过程更容易看到。盘的两个金属层以两种不同的颜色(浅灰色和深灰色)显示.(A)光盘开始放在桌面上,其边缘向上弯曲.(B)一旦加热,两层金属都开始膨胀。然而,浅灰色层比暗灰色层扩展得更多,迫使盘在另一个方向上弯曲.(C)加入足够的热量后,光盘”卡入” – 其边缘现在向下卷曲.(D)光盘现在在与步骤A相反的方向弯曲 – 它被”加载” 并准备跳跃! (E)圆盘比周围环境温度高,因此会开始向周围的空气和桌面散热。随着金属冷却,浅灰色金属比深灰色金属收缩得更多,导致光盘开始弯曲回到其原始位置.(F)最终光盘到达一个临界点并快速快速通过 – 导致它击中桌面并用弹出跳跃!

图3中的过程依赖于热传递.传热是指热量从温暖的东西移动到更冷的东西。当两个物体彼此物理接触时会发生传热,这称为传导。热量也可以通过空气在两个不接触的物体之间传递,这称为对流。甚至可以通过空间的真空传递热量!这被称为辐射传热,它是太阳如何温暖地球。您可能已经注意到日常生活中的传导,对流和辐射热传递。例如,如果你拿起一个冰块,它会感觉很冷,因为热从你的手传导到冰块。如果你拿起一块坐在阳光下的温暖的岩石,它会感觉到温暖,因为热量会从岩石传导到你的手上。如果你站在家里的加热器附近,即使你没有真正触摸加热器,你也会感受到对流的热空气(对于空调和冷空气来说也是如此)。当然,如果你在晴天站在外面,你的皮肤会因为来自太阳的辐射热传递而感到温暖(注意:传导,对流和辐射热传递的影响加起来,以及甚至可以相互抵消。例如,如果你站在寒冷,阳光明媚的冬日外面 – 你的皮肤可能会感到寒冷,因为冷空气会比太阳温暖更快地将热量从皮肤上吸走。

当两个物体之间的温差很大时,传热发生得更快,当两个物体的温度相同时,它就不会发生(如图4所示)。因为热量从热变冷,所以从不同温度开始的两件事最终会达到相同的温度。你可能已经注意到这一点,如果你曾在柜台上留下一杯热饮(如图5中的热巧克力杯) – 最终它会冷却并达到室温(通常约70华氏​​度或21摄氏度)。发生这种情况是因为热量从热饮转移到周围的房间,这是更冷的。如果您在柜台上留下一个物体(如图5中的冰淇淋纸盒),则会发生相反的情况 – 它会变暖,直到达到室温,因为热量从较暖的房间转移到较冷的饮料,如图5所示。

技术说明

总是从热到冷流动的过程由热力学第二定律描述。热力学第二定律指出,如果不使用额外的能量,热量就不可能自己从冷到热流动。这就是为什么空调必须使用像电一样的额外能源 – 你不能只是免费冷却你的房子!

传热过程
图4. 传热的基本规律是热量总是从较热到较冷。如果两件事之间的温差很大(其中一件非常热或非常冷),这种情况会更快发生,如果温差不那么大,则会更慢。如果两个温度相同,它们根本不会传递热量.重要:在两种温度较高或比室温温度低的物体之间仍然会发生热传递。例如,一杯冷水将热量传递给冰冻的冰块 – 即使它们都已经低于室温。

来自台面上的冷热物品的热量传递
图5. 厨房台面上的传热。热量将热巧克力从热巧克力流入台面(通过传导)和周围空气(通过对流),并且进入冷冰淇淋。最终,热巧克力和冰淇淋都会达到室温。我们在图片上画了箭头,因为传热是看不见的 – 你实际上看不到它的发生(尽管你可以观察它随时间的变化 – 例如,冰淇淋会开始融化)。

这意味着您的跳跃盘跳跃的速度取决于周围环境的热度(或冷度)。在图3的E部分中,跳盘是热的并且其周围环境处于室温。在本实验中,您将确切了解周围环境的温度如何影响您的跳跃盘。如果周围环境比室温更热或更冷,你能弄清楚会发生什么吗?如果你想惊吓某人,这将使你能够完美地计算你的跳盘的流行时间!

术语和概念

  • 热膨胀
  • 双金属
  • 断路器
  • 传热
  • 传导
  • 对流
  • 辐射传热
  • 室温
  • 热力学第二定律

问题

  • 你能找到一些真实的热膨胀实例吗?
  • 除了断路器之外,双金属片还有什么其他用途?
  • 你还能在其他地方看到日常生活中的热量传递吗? (提示:想想做饭。)
  • 您能想到每天都会遇到的传导,对流和辐射传热的不同例子吗?
  • 您认为桌面的温度会影响您的跳盘跳跃多长时间?如果桌面很热,会发生什么?如果感冒会怎么样?

参考书目

以下参考资料可以帮助您探索有关热传递,双金属条和跳盘的更多信息。

有关创建图表的帮助,请尝试使用以下网站:

材料和设备

材料和设备

  • 双金属跳盘,可用在线
  • 吹风机(圆盘和台面的热源)
  • 冰块和塑料袋,或蓝色冰袋(冷冻柜中的其他东西都可以使用 – 就像一袋冷冻蔬菜,但请记住,不建议重新冷冻解冻的蔬菜)
  • 秒表
  • 纸巾或洗碗巾
  • 硬柜台或桌面
  • 实验室笔记本

声明:Science Buddies参与联盟计划家庭科学工具 Amazon.com Carolina Biological ,以及 Jameco Electronics 。联盟计划的收益有助于支持Science Buddies,501(c)(3)公益慈善机构,为每个人免费提供资源。我们的首要任务是学生学习。如果您对我们网站上的建议您为科学项目所做的购买有任何意见(正面或负面),请告诉我们。写信给我们 scibuddy@sciencebuddies.org

实验程序

警告:如果使用不当,吹风机可能会导致灼伤和火灾。让成年人帮助您完成涉及使用吹风机的所有程序。

  1. 首先,您将测试跳盘在室温下弹出多长时间.注意:房间内的环境温度会影响本实验的结果,因此在短时间内完成所有试验非常重要。例如,不要在一天中间进行一些试验,在暴露于大量阳光下变暖的房间中,然后在晚上进行其余的试验。
    1. 要求一位成年人拿着跳盘并用吹风机将其加热,直到它弹到”加载” 位置(跳盘非常轻,所以如果你只是将它们放下并将吹风机对准它们,他们会吹走)。小心瞄准吹风机远离您将测试跳盘的柜台空间 – 您不想加热这个表面.注意:如果您在寒冷的房间工作和/或您的吹风机功能不是很强大,那么跳盘可能不会自行弹出。除了加热它,您可能需要在光盘的中心稍微推动一下。只有在足够温暖的情况下,光盘才会保持在装载位置。
    2. 准备好秒表。让成年人把跳盘放在柜台上,”弹出” 面朝上。一旦他或她把跳盘放下,就开始你的秒表.
    3. 密切关注!一旦您看到从计数器弹出跳盘,请停止秒表。将此时间记录在实验室笔记本中。您可能想要创建表1,如表1所示。
    4. 重复步骤1a至1c进行另一次试验。为确保您的结果准确,请至少进行五次试验.(如果你有时间,你可以做更多。)

跳跃时间(秒)
试用编号 冷柜台 室温。柜台 热门柜台
1
2
3
4
5
表1 。在不同温度的计数器上跳跃盘弹出时间的数据表。

  1. 接下来,您将测试计数器 hot 时光盘弹出的时间。
    1. 正如您在步骤1中所做的那样,请成年人使用吹风机加热跳盘但是这次,让成人先将计数器加热约30秒,然后将跳盘直接加热到温暖的柜台上,这样柜台继续加热。
    2. 准备好秒表。让成人将跳盘放在柜台上的温暖点上,弹出的一面朝上。一旦跳盘在柜台上,就开始秒表。
    3. 密切关注!一旦光盘弹出,请停止秒表并记录时间.
    4. 重复步骤2a至2c,直到您完成至少五次试验。
  2. 现在,您将测试当计数器时光盘弹出多长时间。
    1. 用冰块填充塑料袋,或者用冷冻柜中的其他东西作为替代品(任何冻结的东西都可以,只要它能与柜台表面接触良好 – 先与父母核对,因为这可能是解冻冷冻物品)。将此包放在上在你的柜台上发现 -​​ 不是第2步的相同位置,可能仍然是温暖的。让包放在柜台上至少一分钟。
    2. 要求成年人使用吹风机加热跳盘直到它弹出。让吹风机远离柜台上的冷点。请记住,如果光盘没有单独弹出,你可以在中间稍微推动光盘.
    3. 准备好秒表。将冰袋从柜台上移开,然后用纸巾或洗碗巾快速擦掉柜台上的水。让成人将跳盘放在柜台的冷点上,然后立即启动秒表.
    4. 密切关注!一旦光盘弹出,请停止秒表并记录时间。
    5. 重复步骤3a至3d,直到您完成至少五次试验(只要它没有完全融化,您就可以重复使用同一袋冰。)
  3. 分析您的数据。
    1. 如果您制作了类似于表1的数据表,那么现在可以使用该数据制作图表吗?图6显示了一个空白的示例图表,您可以用数据填写。
    2. 计数器的温度如何改变跳盘弹出的时间? “冷” 和”室温” 之间的跳跃时间差异是否与”热” 和”室温” 之间的时间差相同?
    3. 你预测会发生什么?您的结果与预测相比如何?


跳跃时间与温度的空白示例图
图6。绘制数据的空白示例图,显示跳转时间与计数器温度的关系。

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  • 除了使用吹风机之外,您能找到其他方法让您的光盘点击加载位置吗?例如,如果你把它放在阳光直射的金属物体上怎么办? 警告:确保您有成人帮助您进行任何涉及热物体的实验,因此您不会自行焚烧.