趣味STEAM教育:人可以用多长的吸管喝水?

好奇心令人惊叹,可以推动发明和创新。许多科学项目都是由科学家去询问事物是如何工作的,或者事物为什么以某种方式工作而开始,然后用科学或工程实验来找到问题的答案。

以下简单而具有创造性的STEAM活动,孩子们通过制作涉及科学原理的东西,可以看到“奇怪但真实”的科学!

可以用多长的吸管喝水?

一、介绍

你用过花式吸管吗?有些是螺旋上升的,有些有着奇幻的颜色和装饰,有些较狭长有些较宽。但再喝饮料的时候,这些吸管都差不多保持着相同的距离。如果你把头伸出窗户,悄悄地喝着下面窗户放着的饮料,会不会很有趣?这样行得通吗?在本次活动中,将会制作一个你看见过、最长的吸管!

活动时间:30到45分钟

核心理念:大气,压力,气压

二、用料

材料:

  • 一袋塑料吸管(至少十根),最好是可以弯曲的吸管
  • 剪刀
  • 胶带
  • 玻璃杯
  • 水或者果汁
  • 可以被水打湿的平面(如果不可以被打湿,找个东西保护一下)
  • 可以承受的坚硬椅子或者桌子

三、准备工作

1.在一个成年人的帮助下,在塑料吸管的一端切开两个半英寸长的裂缝,彼此交叉。这些切口可以帮助你把一根吸管的末端套在另一根吸管上。

2. 用类似的方法再准备10根吸管,直到你有足够的吸管做一个超级长的巨型吸管!(如果你需要更多的吸管,回看这些步骤。)

四、步骤

1.将一根剪好的吸管套在一根没有剪过的吸管上。

2.用胶带把吸管重叠的地方包裹住,这样就可以起到密封的效果。不要着急,一个良好的密封将帮助你避免之后的一些麻烦。

提问:为什么牢固的密封对你的巨型吸管的功能运作来说,是必不可少的呢?(提示:当你用吸管喝水时,你必须把空气从吸管里吸出来。)

3.测试你的巨型吸管。在平地上放一杯水。(记得要放一些东西来保护平地,或在一个可以打湿的平地上)现在垂直地握住你的吸管,试着用它喝水。

提问:你有喝到水吗?

4.如果很少或者根本没有液体进入吸管,请检查你拼接吸管的密封情况。它是密封的吗?如果没有,再用点胶带或剪开重新封一遍。如果所有接缝处看起来都是密封的,检查一下你的巨型吸管的其他部位是否有孔,并用胶带封上。

5.玩玩你的第一个大吸管。轻轻吸出一点空气,然后用力吸出更多的空气,每一次观察水在吸管中的位置升了多高。

提问:如果你吸入更多的空气会发生什么?你认为为什么会发生这种情况?

6.是时候加点吸管了!用类似的方法把另一根准备好的吸管拼接在巨型吸管上,然后测试更长的巨型吸管。记得在测试中垂直或接近垂直地握住吸管。

提问:你的新吸管能正常吸水吗?吸水会越来越难吗?

7. 每次添加吸管后,你可能都要小心地站在椅子上,来测试一下你正在”生长”的巨型吸管。

提问:当你站在离杯子越来越高的地方时,吸水会变得更加困难吗?

8.一旦你把几根吸管连接在一起,用吸管喝水就变得有点困难了。试着在不同的角度测试你的巨型吸管。除了垂直地握住吸管,试着把呈水平和垂直的中间角度测试它(大约45度),或者尽可能地接近水平。注意,你可能需要在你的杯子里加更多的水来测试一个接近水平的位置。

提问:吸水时的用力情况会有什么不同吗?

9.按降序排列吸管的位置。1是最难吸水的,或最需要用力的;3是最容易的,或者最不需要用力。注意不要改变吸水的距离,也就是说吸管的长度一直都是相同的。

提问:为什么有些吸管的位置高度能让人轻松饮水呢?

10.暂停片刻,想想你的嘴和杯子之间的高度差是如何随着你拿着巨型吸管的角度而变化的。将这些按照你的嘴与杯子之间的高度差从高到低的顺序排列:1是高度差最大的位置,3是高度差最小的位置。

提问:你是否找到了高度和吸水所用的力之间的关系?

11.如果你的吸管有可弯曲的部分,测试一下,如果你保持杯子和你头部的高度不变,以各种角度弯曲吸管,会发生什么些什么?

提问:在保持高度不变的情况下,喝水的用力程度该如何做比较呢?

12.继续搭建

提问:如果你垂直地拿着吸管,在你不能喝到水之前,你一共可以连接多少根吸管?你认为有没有上限?还是只要你能在越来越高的地方测试它,它就能无止境地往上面搭建?

五、发生了什么?

空气在不断地压迫着我们和我们周围的东西。当你从吸管里吸空气时,推动吸管内部水的空气比推动吸管外部水的空气要少。这种不平衡导致更多的水被挤进吸管里。

用力吸气或从用嘴抽出更多的空气,气压差越大,吸管内的水位差就会上升得更高。水一到达你嘴的高度,就可以饮水了。

肺活量决定了你用吸管时能抽出多少的空气。有些人很难用三英尺长的吸管饮水,而另一些人则可以成功地站在八英尺以上的地方饮水。

但这是有限度的。如果你能把所有的空气都抽走,在嘴里就形成一个完全的真空,水就能升到30英尺高。然而,在人的嘴里创造一个完全的真空是不可能的,所以通常人们在更低的高度下达到用吸管饮水的限度。

注意,水主要克服的是高度差。将吸管尽量保持水平,就可以让你在很长一段距离内吸到水。

六、探索更多

1、深层发掘

用吸管喝水或饮料似乎很简单,但实际上在吸的时候,这一过程用到了一些奇特的气压变化。

这听起来很奇怪吗?这里有一点更多的解释:大气是一层巨多的空气。空气的重量不断地压在我们身上和我们周围的东西上。在海平面上,这种看不见的压力约为14.7磅/平方英寸,这就像一个保龄球的重量压在每平方英寸的平面上,或者五个保龄球的重量压在一个两英寸半直径的玻璃上。将一根吸管放入液体中,液体会进入吸管,直到与吸管外的液体达到同一水平面。吸管内和周围的液体被上面的空气以类似的方式向下推,所以它们达到了差不多的高度。

但有趣的是,当你从吸管中抽出一些空气时,吸管内部的气压会降低,液体会被推上吸管。你从吸管中抽出的空气越多,液体就会被推得越高。水会一直上升,直到吸管里的水柱产生的压力等于周围空气的压力差。如果你能把所有的空气抽走,在你的嘴里会形成一个完全的真空,水可以上升大约30英尺高。然而,在人的嘴里创造一个完全的真空是不可能的,所以人类喝吸管的高度极限也更低。

因为你需要在重力的作用下把水推上去,所以水需要克服的,主要是高度差,而不是水在吸管中传递的总长度。你可以尽量水平的角度吸水,这样可以在很长一段距离内吸到水,只要吸管其他位置没有让空气进入的漏洞。

2、进一步探索

用其他类型的吸管测试,比如更宽的或者更窄的。有更适合制作一个巨型吸管的吗?

来源:sciencebuddies网站,编译:南瓜

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