炫酷实验室 | 风生火起

炫 酷 实 验 室  ！

引

大家好！我是咱们炫酷实验新来的助理，我立志要成为世界上最厉害的科学家！

口气倒不小，工作做的怎么样呢？

博士，你来啦！实验道具都准备好啦！

看起来有模有样的，那么，事不宜迟，大朋友们、小朋友们，快跟博士一起进入神奇世界！

神奇伯努利

哇！这个吹风机好像把球吸在空中，真是太奇妙了！

这是利用了伯努利原理。

伯努利原理？

P+(1/2)*ρV²+ρgh=常量

是的，伯努利原理是1726年由丹尼尔·伯努利提出，它说明了流体压力的一个特征——对于稳定流动的流体（如稳定流动中的空气或水）在横截面大的地方，流速小，压强大，而在横截面小的地方，流速大，压强小。^[1]

（压强差产生升力）

伯努利原理是流体力学中的基本原理。应用十分广泛，如飞机升力、汽油发动机的汽化器、喷雾器等。生活中急速行驶的汽车、火车会把附近的物体吸向它们，旋转中的足球可以改变轨迹变成“香蕉球”，旋转的乒乓球可以增加接球难度，这些都涉及伯努利原理。^[2]

那刚才的实验是如何用到了伯努利定理呢？

在刚才的实验中，吹风机吹风的这一流线上风速较快的是与沙滩球接触的部分，这部分的流速大、压强小，且小于周围的空气压强，这种压强差就会对气球产生力的作用，从而把沙滩球“托举”起来。看起来，就像是沙滩球被吹风机牢牢地吸住了。

博士小课堂：伯努利家族

伯努利（Bernoulli）家族又译作贝努利家族，17~18世纪的百余年间家族出过十余位数理科学家，其中雅各布第一·伯努利、约翰第一·伯努利、丹尼尔第一·伯努利三人成就最大。

七彩气球环

博士，太棒了，这个气球环也能飘起来！

神奇吗？为什么会这样呢？要解释气球环的悬浮这里还要用到另一项流体相关的科学原理——康达效应。

（康达效应示意）

当水流或者气流流过物体表面时，只要这个面的曲率不是很大，水流或者气流就会顺着这个物体的表面流动。这个现象被成为康达效应或附壁效应，是由罗马尼亚发明家亨利·康达发现的。

生活中，是不是把勺子贴近放水的水龙头一侧，水顺着勺子流动，这就是康达效应？

(An-72P, photo taken by  Fedor Leukhin)

没错，看来你能活学活用了！像上图这架把发动机“背”在机翼上面的双发短距起降运输机安-72就利用了康达效应增加飞机升力。^[3]

康达制造的飞机

博士小课堂：康达效应的发现

1910年，亨利·康达发明了世界上第一架喷气式飞机——康达1910。但是，康达1910在展示起飞时因失速损坏。亨利·康达却在这个过程中发现了康达效应，且飞机失速的主要原因就是康达效应忽然消失。^[3]

到时候不如我们请观众朋友们钻过这个彩色气球圈？那一定很有意思!

没错，我们炫酷实验室就是希望通过有趣的实验让大家爱上科学！不过，今天有趣的还不止这些，你看！

秘密道具：空气炮

这又是什么呀？

不知道你小时候有没有梦想过有一个蓝色的猫形机器人，他有着一个装满各种道具的口袋……

哎呀，博士，你说的不就是哆啦A梦吗？难不成你能造出一个机器猫？

那倒没有，不过，我刚才拿的是什么呀？其中有一项道具——空气炮倒是被我制造出来啦！

（空气炮的现场演示）

原来是这样！通过拉动弹力绳储存气体，再松开弹力绳，释放气体。空气炮原理很简单，小朋友们，你们也一定猜到了吧！

活学活用科学知识，无形的空气也能有大威力，看我的！

(空气炮打杯子)

燃烧吧！小宇宙！

朋友们，你们刚才见识到了“风生”，那么马上，我们一起来看到“火起”！

这、这……火焰一下子窜得好高！

这个实验叫“火龙卷”。其实就是利用空气对流，燃烧的热量使得热空气上升并且消耗了氧气，旋转装置周围的空气就会流入补充。如此往复，火苗就越窜越高了。

博士小课堂：空气对流

空气对流是指空气受热不均，受热的空气膨胀上升，而受冷的空气下沉而形成的空气流动现象，常见的起风这种自然现象就是典型的空气对流。

“火龙卷”好看吧，考考你，燃烧需要什么条件呢？

条件?条件……需要氧气！

没错，燃烧一般需要氧气，但更准确的说法是需要助燃物。所谓的燃烧三条件是：可燃物、助燃剂、点火源。

（本生灯）

博士小课堂：燃烧的条件

燃烧是可燃物与氧化剂作用发生的放热反应，通常伴有火焰、发光和（或）发烟的现象。燃烧的三个条件是可燃物（还原剂）、助燃物（氧化剂）、点火源，只有具备三个条件反应才能发生。空气中氧气是常见的氧化剂。了解燃烧反应、燃烧条件有助于提高我们的消防安全意识。

（实验：乙醇燃烧）

C₂H₅OH+2O₂=2CO₂↑+3H₂O

除了常见的黄色，火焰也可能有多种颜色，比如上面，酒精完全燃烧的火焰就是蓝色。

对啦！这里还要提醒大家，燃烧的实验很精彩，同时又很危险！所以提醒各位小朋友们，这些实验一定不要自己尝试哦！想看的话，就来找博士我吧！

拔“球”实验

这里有……有两个大碗？博士，我们最后一个实验是要做饭吗？

当然不是啦，我把它们合起来，你再看看？

有点像个“球”了，是不是有什么办法让两边吸在一起？总觉得好像在哪看过这个实验？

提醒你，是和大气压有关的实验。实验操作则仍要借助燃烧。

（托里拆利）

博士小课堂：“厌恶真空”

亚里士多德认为“真空并不存在”，并对其做过系统论证。因袭了亚氏偏见的中世纪后期学术界流传“自然厌恶真空”的说法。随着生产发展，水泵已普遍使用，按亚氏观点，水泵活塞向上运动留下空隙，因自然界不允许真空，水才得以向上抽取。而生产实际中，水只能被抽升到约33英尺高，再高就不行了。伽利略对此做过实验，知道空气有重量，也知道水柱高度可以标度对真空的排斥力，但未结合二者，而把课题留给了后来者托里拆利^[4][5]。

（托氏实验）

博士小课堂：托里拆利实验

伽利略去世后的1643年，托里拆利与伽利略的另一个学生维维安尼一起做了著名的“托里拆利实验”。托里拆利在一根4英寸长一段封闭的玻璃管注满水银，堵住开口一端，将管子倒立放入水银盘，松手后水银向下流动，但流到水银柱高30英寸（760毫米）时不再向下流动。托里拆利认识到，所谓排斥真空的力不是别的，正是空气的重量。空气重量有限，因而水银柱高度有限，而倒立管中水银流走空出来的一段就是真空。他还注意到水银柱高度每天略为变化，并正确解释是每日空气重量略有变化。这根水银柱实际成为第一个气压计^[5]。

这里还有一张纸，是利用燃烧，把点燃的纸放进去……

燃烧纸巾，消耗氧，产生二氧化碳，待加热气体膨胀后漏出，再合紧，从而使球内气压低于大气压。那么大气压的威力有多大呢？我们来试试看！

使这么大的劲都拉不开！哦，我想起来了，这模拟的是马德堡半球实验吧！

没错，就是著名的马德堡半球实验。

（马德堡半球实验）

博士小课堂：马德堡实验

“马德堡半球实验”是1654年马德堡市长奥托·冯·格里克为证明大气压的存在主持进行的一项科学实验。当年用了１６匹骏马才将合在一起的两个黄铜半球拉开。实验的神奇现象迅速传开，让“大气压”的概念深入人心。

尾

那么，今天的炫酷实验室也要告一段落了。实验很多，知识很多，小朋友们要注意好好消化哦。

小朋友们，今天又是收获满满的一天啊！感谢博士带来的精彩实验，如果还想看到精彩有趣的实验，别忘了关注我们“炫酷实验室”~

[1]洪子量. 伯努利原理教学中的趣味实验[J]. 物理教学探讨：中学教学教研版, 2018(1):2.

[2]高志华, 闫妍, 申燕,等. 水流冲不走乒乓球现象的研究[J]. 物理实验, 2017, 37(6):5.

[3]朱继银. 流体的力量--康达效应[J]. 知识就是力量, 2022(8):2.

[4]陈铭, 侯恕. 基于气体力学史的"大气压强"高端备课[J]. 中学物理教学参考, 2019(13):3.

[5]吴国盛. 科学的历程.2版[M]. 北京大学出版社, 2002.

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