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Vast, Warm and Elegant

干冰大炮

干冰大炮爽又酷, 能学知识还消暑。

清凉一夏感谢谁? 二氧化碳显神威!

        持续的高温天气让你觉得有些难以忍耐了,漫长的暑假好像看不到头似的漫漫无期……如果有一种既能降温消暑又能消磨悠长假期,还可以学习科学知识的游戏,那就好了。干冰大炮!绝对不会让你失望——它可以喷出凉爽的空气,可以呈现出神秘的漩涡,可以练习射击瞄准,还蕴含着深奥的科学原理。而你需要的材料,依然普通而又常见。(主要材料“干冰”,也许你需要注意一下在哪里可以买到——这是本次活动中最特殊也是最主要的一个材料了。 )

实验材料:

  1. 一个一次性塑料杯子(纸杯子也可以,但塑料杯的耐久度更好)
  2. 一个封口袋
  3. 常温水
  4. 干冰
  5. 取用干冰的厚手套
  6. 裁纸刀
  7. 一枚5角人民币的硬币

实验步骤:

一只手拿好一次性塑料杯 ,将其翻过来,底面朝上,将5角人民币硬币放置在底面的中央,固定好。用裁纸刀沿着硬币的边缘进行剪切,在剪切的过程中保证边缘越圆润越好。

将切好底面的塑料杯翻过来,将封口袋平铺,直接套在塑料杯的口上。用皮筋将封口袋固定好后,再用剪刀将多余出来的塑料袋部分剪掉,这就做好了干冰大炮的“炮筒”主体了。

将60毫升温水从“炮筒”底部切开的圆孔处倒入,这就相当于在倒火药。接下来,就是至关重要的环节,放置“炮弹”了。我们这里的“炮弹”就是干冰。记住:买来的干冰绝对不要直接用手触碰,需要带一个加厚的手套才能接触干冰。用加厚手套选取小块的干冰,放入“炮筒”。

一切就绪了,现在就看你什么时候需要开炮了。这个时候,你可以尝试练习一下瞄准:从大炮“炮筒”的中轴线延伸出去,就是大炮的准线。你可以尝试点燃一支蜡烛或者放置一些纸屑,我们可以把蜡烛的火焰和地面上的纸屑作为靶子来练习瞄准和射击。

一手握住“炮筒”,另一手的手指弹击塑料封口带,观察你的“炮孔”——用裁纸刀沿着硬币裁出的那个圆孔,白色的环状云雾喷薄而出,滚动向前,可以吹嘘蜡烛和吹散纸屑,我们的干冰大炮制作成功了。

实验原理:

我们干冰大炮实际上是一个“漩涡发生器”,仔细观察大炮喷出来的环状云雾,你会发现,它是一个滚动中不断前进的平展圆环。为什么会出现这样的现象呢?当你拍击封口袋时,就压缩了塑料杯的体积,变小的“炮筒”内部的气流被压缩了,形成了更高的压强,迫使多余的气体要从“炮口”排出,当空气在离开“炮口”时,“炮口”中央的空气运行速度要高于炮口周边的速度,这个速度差会让气流形成漩涡。这个空气漩涡一般情况下肉眼是看不到的,但干冰在升华时,会产生清晰可见的白气,就让漩涡可见,形成滚动的“环状云雾”就被你发现了。

干冰是固体二氧化碳,这是在超低温下将二氧化碳进行压缩制成的一种固体,在室温条件下,它会直接从固态变为气态的二氧化碳,我们称之为升华。这个过程,是没有水分产生的,但空气中的水分在接触到干冰时,会凝集,产生可见的水雾。所以,我们肉眼中看到的那个白色的环状云雾,也就是二氧化碳和水蒸气的混合体了。

实验升级:

如果尝试增大炮筒,那么你的干冰大炮的威力可以增强,先在图纸上设计一下你的升级版大炮,看看需要哪些材料,再动手试一下!提醒你一下,干冰的升华过程,会带走大量的热量,你可以怎样利用你的升级版干冰大炮给朋友们带来凉爽呢?

参考:https://www.stevespanglerscience.com/lab/experiments/dry-ice-smoke-ring-launcher/

本文发表于《知识就是力量》2018年9月刊

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