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热、冷、冰81。小冰山
把一个小冰块放入一只玻璃杯中,将杯注满水,直至杯的边缘。冰块浮在上面,其中的一部分露出水面。如果冰块融化,杯中的水岂不要外溢?
不会,因为水结冰时要比原来的体积膨胀出11分之1。也就是说,冰块轻于水而漂浮在水中,只有一部分冒出水面。冰块融化时体积回缩,恰好又占据了冰块原来占据水的空间。
漂浮在海面上的冰山,危及航船的安全,它所以十分危险,还因为在水面上看到的,只是它冒出的一角,而不是水中的全部体积。
热、冷、冰82。冰的爆发力
每一个严寒的冬天过后,马路上都会出现冻裂现象:柏油路面破碎后出现的鼓包。这种路面冻裂现象在什么时候最严重呢?是长期的严寒,还是严寒和开化期的反复?水通过柏油路面上的细微的裂纹,渗透到路面之下,在那里形成了空隙。寒冷结冰时,水的体积膨胀11分之1,结成的冰把柏油路面推向上方。开化的天气,在已经膨胀的地方,多出了11分之1的空间,容纳新的水分,在反复结冰的时候,再次膨胀11分之1 。所以,冬天气温反复变化的情况下,路面最容易出现这样的冻裂突起现象。
热、冷、冰83。不同的结冰时间
在牲口棚的覆盖着白雪的屋顶,寒冷时往往会结成各种不同的冰柱。有时是又长又细,有时则是又短又粗。这种形状的差别,应该如何解释呢?圈内牲口的正常体温,使屋顶最下层的积雪融化。融化的雪水被上层的积雪和其中包含的空气隔挡,不受外面低温的影响,而是在稍高于零度的温度下顺着屋顶瓦楞滴下。到了外面,这些水滴根据不同的寒冷程度,以不同的速度结冰。水滴一层一层地结成冰柱,温度不太低时,需要较长的时间,才能冻结完毕(见图A),温度很低时,则只需很短的时间(见图B)。
热、冷、冰84。纸做的锅
你想过用一只纸杯在明火或炽热的电炉灶盘上烧开水吗?你可以做一个试验:用毛衣针穿过一只装满水的纸杯,搭在两只酒瓶中间,在纸杯下点燃一支蜡烛。过一会儿,杯中的水就烧开了 — 而纸杯却安然无恙,连一点烤痕都没有。
水吸收了纸杯上的热量,在100度时沸腾。水的温度不会再升高,所以也达不到纸杯燃烧所需要的温度。
热、冷、冰85。自由飘浮的小气球
从新年集市给孩子买来的气球,会飞向天空;它有动力,因为它里面装有很轻的气体。在一个温暖的房间里,你也可以让一个气球飘浮在半空。窍门是:把一块硬纸板拴在气球上,让气球先是向下降落。你陆续把纸板剪小,直到气球开始缓慢上升,然后在你所需要的高度停住。
生暖气的房间里,流动着不同温度的空气层 — 冷的和重的靠近地面,而暖的和轻的则趋向天花板。坠着硬纸板的气球可以停在和其重量相应的空气层中。
热、冷、冰86。钓冰块
用铅笔和丝线做一支鱼杆,在一只杯子里装上水,让一个小冰块漂浮在水上。如何才能用这支鱼杆把冰块钓起来呢?把丝线头下降到冰块上,然后在冰块上撒几粒食盐。线头立即就会冻在冰块上。
食盐使冰块融化,这恰恰是几粒食盐在冰块上起的作用。一个物体融化时需要热量,于是热量被冰块表面上没有沾到盐粒的地方摄走,所以这里的液体立即重新结冰,把上面的线头冻在冰块上,于是就可以把它钓上来了。
热、冷、冰87。爆裂的石头
在冬天,你可以不用什么工具就把大块石头爆裂开来。在屋外找一块冻透的燧石,用开水浇在上面。它就会轰然一声爆裂。
爆裂的原理是,石头的外表迅速升温,以比内部更快的速度膨胀。这样产生的不同张力,使石头裂开。以同样的方式也可以使厚玻璃酒杯爆裂,只要在里面倒入过热的液体。玻璃导热能力差,因此就出现了各个层次的不同膨胀现象。
流体试验88。水龙头下的珍珠链
把水龙头开得很小,让它流淌出细细的水流,然后用手指挡在下面5 cm的地方。请仔细观察:你会发现在水流中出现神奇的波浪般的图案。把手指再稍微往上抬,波浪渐渐变成了很多小水球,直到最后形成一条珍珠链。
水流被手指阻挡,由于表面张力 — 液体分子间相互吸引而使表面收缩到最小的趋势 — 的作用,分裂成为圆形水滴。你把手指慢慢从龙头撤回来,水下流速度加快,水滴形状重新变得模糊。
流体试验89。水丘
在一只干燥的玻璃杯中灌满水,但不要让水溢出来。然后慢慢地往杯中放硬币,一个接着一个,你可以观察到水平面的变化。
你会感到奇怪,里面竟然可以放这么多硬币,而水却不漫出来:水杯上面形成了一个小水丘。
这个水丘是表面张力起作用的结果,这是水分子间的一种相互吸引力。最后甚至可以把一个小盐罐的全部食盐都缓慢地撒在水面上。盐在上面融化,分别进入水分子之间,而水却不会外溢。
流体试验90。漂在水上的金属
把一只大碗装满自来水。把小金属物件放在一块吸墨纸片上,然后用一把叉子,小心地把它们一起放入碗中。过一会儿,吸满水的吸墨纸沉入水底,但小金属物件却漂浮在水上。
由于金属重于水,照理说金属物件也应下沉。但它们却被一层薄薄的水膜所承载,它的形成,是由于水面的水分子相互吸引的力量(即表面张力)大于水的重量。用一个小肥皂刷往水中一碰,表面张力被破坏,漂浮试验宣告结束。
流体试验91。被破坏的水膜
用一截棉线系成一个环,放在一个注入自来水的容器中,让线环漂浮在水面上。拿一根火柴插入不规则的线环的中心,线环立即变成了圆形。火柴所以有这等的魔力,是因为它事先蘸了一点洗涤剂。洗涤剂进入水中,即刻向四周扩散,冲破了水分子在表面张力作用下形成的水膜。水膜突然破裂,陷入运动的水分子,从突破处向外冲去,把线环撑圆。
流体试验92。软木片爬水丘
取一只小玻璃酒杯,注满水直至边缘,放在桌子上,并在水面靠近边缘处放一个圆形软木片。如何才能使软木圆片移动到水面中央,而不许去触动它呢?
用一只小试管把水慢慢滴入酒杯中,直到形成一个水丘。开始时,重力使软木片留在稍微隆起的水面边缘。你继续向杯中滴水,水的附着力,即水分子和软木片之间的吸引力越来越强烈,于是软木片逐渐被拖上水丘的顶部。
流体试验93。排水试验
一枚原东德的十分尼铝制硬币,和西德的十分尼黄铜硬币大小一样,但前者的排水量却比后者大一倍。把硬币分别放在一把叉子上,小心放入灌满自来水的容器中。黄铜硬币沉入水底,而铝制硬币却几乎漂浮在水面上,尽管铝同样比水重。铝制硬币通过水的表面张力,像被一层精细的有弹性的薄膜托在水面上,防止了下沉。这枚硬币在这里排开了双倍的水量,它的水面上压出了一个水中凹槽。
流体试验94。松弛的附着力
把一张较厚的明信片剪成 — 像图中显示的那样 — 一个带舌头的盖,把它放在装满水的玻璃杯的水面上。请你试一试,在舌头上放多少枚硬币,这个盖才会被掀开。
你可能没有想到,上面竟能放那么多的硬币,这表明水分子和明信片之间的吸力 — 即附着力是如何强大。但你如果在水中放入少许洗涤剂,纸盖就会立即掀开。水分子的力量被洗涤剂明显削弱;我们说,水“松弛”了。这也是洗涤剂可以洗去污渍的道理。
流体试验95。把水打个结
取一只一公斤容量的罐头桶,在靠近底部并排钻五个2 mm 直径的小孔。把桶放置在水龙头下方,打开水龙头,让水从五个孔中流出。你用手指在五个孔上滑过,五股水流就会合并起来,就好像是扭在了一起。
水分子是相互吸引的,并因此在内部产生一种使液体表面缩小的趋势:表面张力。这也是水滴形成的力量。我们在这个试验中,可以清楚地看到这种力量:它使水流导向侧旁,然后统合起来。
流体试验96。分子的力量
用一根细铁丝做成一个3 x 8 cm 的方框,然后把一根直铁丝搭在中央。把这个铁丝框放进有少许洗涤剂的盘子里,让铁丝框挂上一层肥皂膜。用小棍儿捅破一个地方,中间的小铁棍立即就会滚到铁丝框的另一边去。
液体分子之间的吸力很强,肥皂膜几乎像是一面用气球绷成的平面。如果在一边把这个聚合状态戳破,另一边的吸力就获得了优势,把剩余的液体拉过去,甚至包括那根小铁棍儿。
流体试验97。飘在空中的水
把一只玻璃杯灌满水,用一个平的塑料盖盖在上面。按紧盖,把杯子一下倒转过来。把手拿开,塑料盖却贴在杯子上,挡住了杯中的水流出。
在一只10 cm高的杯子里,水对塑料盖的每平方厘米的重量为10克(因为一立方厘米的水重一克)。而盖外面的空气对每平方厘米的压力却达1000克。它比水的重量大许多倍,因而死死顶住了塑料盖,既不让空气进入,也不让水溢出。
流体试验98。葡萄粒之舞
在一只高水杯中注满带气的矿泉水,里面放入一枚或数枚葡萄粒。葡萄先是沉到水底,但立即就会上下跳起舞来,并自动旋转不停。
矿泉水中的气体在杯中被释放出来,那是二氧化碳。它在葡萄上集聚很多小气泡,直到足以使其向上浮动。在水面上气泡破裂,所以葡萄又开始下沉,然后这一过程再从头开始。
流体试验99。弹性的肥皂泡壁
用洗涤剂和水制成肥皂泡沫,再用小塑料盖和吸管做一只小烟斗。吹出一个肥皂泡,不要让它飞掉,而是用手指按住吸管吹口,让它留在烟斗上。让吹口接近一只燃烧的蜡烛,然后把手指拿开。火苗就会开始向一边倾斜,肥皂泡逐渐变小,最后消失。
尽管肥皂泡壁很薄,只有千分之一毫米,但它却有足够的力量把空气拢在里面。你打开了吸管的吹口,水分子鉴于表面张力的作用,聚成了水滴,把空气排了出去。
流体试验100。用肥皂当动力
把火柴的尾部劈开,在缝隙里放入少许软肥皂。把火柴放入装有自来水的盘子里,它就会迅速向前游去。在浴缸里,你甚至可以用多枚这样的火柴举行游泳比赛。
逐渐化开的肥皂不断破坏水的表面张力。于是产生了水分子朝后方的运动,这就成了火柴朝前走的反作用力。如果不用肥皂,而用洗涤剂,那么火柴的运动会更加快捷。
流体试验101。不透水的孔洞
在一个果汁瓶盖上用一根3 mm 直径的钉子,打30个 孔。瓶中灌满水后,把盖拧紧,用手捂住瓶盖。然后把瓶子倒过来,当你把手拿开的时候,瓶中�