赛车赢得那个方格旗:气体如何帮助?

2020年3月2日 作者 奇先生 0

难度 <! - 5 - >
所需时间 短(2-5天)
先决条件
材料可用性 这个科学项目需要氦气罐。有关详细信息,请参阅材料和设备列表。
费用 平均值($ 40 – $ 80)
安全 使用氦气罐并使用氦气时,请遵守所有安全预防措施,如油箱包装上所述。

摘要

观看专业赛车手的比赛可能会令人激动。赛车可以达到的高速度 – 高达每小时200英里(英里/小时)以及更多! – 对车辆提出了一些独特的要求。例如,为了承受高温,轮胎必须用氮气充气,而不是像普通汽车轮胎那样用空气充气。这使得驾驶员能够更好地控制他们的汽车在赛道上比赛时的转向。在这个体育科学项目中,您将对气球进行充气,以研究气体如何因温度变化而膨胀和收缩,并使用结果来解释为什么赛车轮胎充满了氮气。所以准备炸毁一些气球!

目的

确定气体如何因温度变化而膨胀和收缩,并解释为什么赛车轮胎充氮气。

积分

Teisha Rowland,PhD,Science Buddies

  • Mylar是DuPont Teijin Films的注册商标。

引用本页

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科学伙伴。”赛车赢得那个方格旗:气体如何帮助?” 科学伙伴,2017年7月28日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Sports_p062/sports-science/gases-car-racing。2019年7月6日访问。

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科学伙伴。(2017年7月28日)。赛车赢得那个方格旗:气体如何帮助?从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Sports_p062/sports-science/gases-car-racing


最后编辑日期:2017-07-28

简介

方格旗的竞赛(如图1中的赛车所示)可能是令人兴奋和刺激的旅程。你知道很多比赛都是在气体上吗?这可能听起来很奇怪,但用于给赛车轮胎充气的气体类型实际上非常重要。由于轮胎与道路之间的摩擦,当您驾驶汽车时,所有汽车轮胎都会升温。由于赛车的速度比普通汽车快得多,因此它们会在轮胎和赛道之间产生更大的摩擦。根据赛车的不同,比赛期间可以达到200英里/小时或更快!这种高速使轮胎升温,达到约120至160摄氏度(℃)或约250至325华氏度(F)的温度。由于这些极端温度,赛车轮胎需要用氮气充气而不是空气,就像普通汽车轮胎一样。为什么?它归结为物质的行为方式。

NASCAR赛车在赛道上比赛。
图1。赛车轮胎必须充满氮气,因为它们可以达到高温.(图片来源:Todd Ellis)

你周围世界的一切都是由物质组成的,包括汽车轮胎里面的东西。我们以四种不同的形式观察日常生活中的物质,称为状态。从最低能量到最高能量(通常)的状态是固体液体气体,以及等离子体的.气体,就像普通汽车轮胎内的空气一样,采取它们所处的容器的形状。它们展开,以便所有空间均匀地充满气体分子。气体分子没有连接。它们沿直线移动,直到它们反弹到另一个气体分子或撞到容器的壁上,然后它们反弹并继续向另一个方向移动,直到它们撞到其他东西。容器中所有气体分子的组合运动能量称为平均动能

这个平均动能(运动能量)随温度变化而变化。当温度增加时,气体分子的平均动能也增加。这意味着分子移动得更快并且在轮胎内部具有更频繁的更难的碰撞。同样地,当温度降低时,气体分子的动能减小,这意味着分子移动得更慢并且具有更少的频率和更弱的碰撞。这就是为什么一些在极冷的温度下行驶的专用车辆,例如Terra Bus(如图2所示),它将研究人员运送到南极洲的麦克默多站(它很少被冻结的地方),有特殊的轮胎在异常情况下工作低轮胎压力,当轮胎中的分子之间的碰撞相对较弱且不频繁时。

南极洲Terra巴士的图像
图2. Terra Bus运送南极洲的科学研究人员.Terra Bus配备了低压轮胎,因此可以在非常低的温度下工作.(图片来源:Eli Duke)

但是那些必须应对温度的赛车轮胎呢?这种情况的重要因素实际上是轮胎内有多少水。当水被加热时,它会蒸发变成了气体。正如我们所提到的,气体分子通常比液体分子具有更多的动能。这意味着当轮胎加热时,其内部的任何水分都会蒸发,并且由于气体膨胀(比液态水占据的体积更大),轮胎压力会增加。对于普通汽车而言,这不是问题,但由于赛车轮胎升温到如此极端的温度,增加的轮胎压力会严重影响汽车如何拥抱道路。虽然它可能感觉不到湿润,但我们周围的空气,特别是我们从肺部呼出的空气,实际上含有少量的水(以及不同的气体,主要是氮气和氧气)。然而,氮气可以制造得非常纯净,其中不含水或其他气体。因为它比空气更干燥,所以氮气用于填充赛车轮胎,从而可以更好地控制比赛期间轮胎压力的增加,从而使驾驶员能够更好地控制汽车。

在这个科学项目中,您将比较空气的动能变化与相对干燥的气体相比,当它们都暴露在不同的温度下时。在这个实验中你将不会使用赛车轮胎,而是使用乳胶气球来模拟轮胎。具体来说,您将使用空气(来自肺部)或氦气(来自水箱)填充乳胶气球。像纯净的氮气一样,氦气也非常纯净和干燥,但你会使用氦气,因为氦气罐比氮气罐更容易获得(纯氮气对呼吸是危险的) 。您将在室温下和在冰箱中度过时间后比较气球的大小。在室温下,当它们变暖时,您认为氦气球的形状在冷冻时会如何变化?您如何看待氦气球的变化与充气气球的变化相比?这是一个炸毁气球并找出来的机会!

注意:在这个科学项目中,您正在室温和冰箱中测试乳胶气球,但不是在较热的温度下。这是因为当加热时(例如通过暴露在明亮的阳光下或热灯下),当气体从气球中逸出时,乳胶气球会放气。

术语和概念

  • 摩擦
  • 物质状况
  • 气体
  • 分子
  • 平均动能
  • 轮胎压力
  • 氮气
  • 氦气

问题

  • 为什么汽车行驶时汽车轮胎会升温?为什么赛车轮胎比普通汽车的轮胎升温更多呢?
  • 您在日常生活中可以观察到四种不同的物质状态?每个能量的量与另一个相比如何?
  • 为什么赛车轮胎内的气体不含水分?
  • 氮气如何与氦气相似?

参考书目

要了解有关不同物质和气体状态的更多信息,请查看以下资源:

此网页包含有关弹性和非弹性碰撞的信息:

您可以在此网页上找到有关Terra Bus的更多信息,该公共汽车在南极洲周围运送研究人员:

材料和设备

  • 冷柜。它应该有足够的空间,以便容易地保持直径至少为9英寸的充气气球。
  • 温度计。它的温度范围应至少为-25°C至30°C。像这样的温度计可以在商店或通过在线供应商找到 Amazon.com
  • 氦气罐。氦罐可以在某些杂货店购买,也可以在折扣和/或派对用品商店购买,或者通过在线供应商购买 Amazon.com
    • 注意:使用氦气罐给气球充气是很重要的,而不仅仅是让它们在商店里炸毁,因为你需要立即进行测试 气球充气后,因为氦气从乳胶气球中逸出。您将至少进行五次单独的测试,其中五次单独充气的氦气球。
  • 乳胶气球,大小约9至12英寸(至少10个)。这些可以在折扣和/或派对供应商店,或通过在线供应商,如 Amazon.com
  • 字符串或色带(5个,每个长到足以将气球绑在某个东西上以容纳气球)
  • 辅助
  • 永久性标记,黑色或不同深色
  • 布卷尺。它应该是指标。公制布卷尺可以通过在线供应商购买 Amazon.com
  • 定时器
  • 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

测试气球

  1. 在您的实验室笔记本中,制作一个类似于表1的数据表。您将在此数据表中记录您的结果和观察结果。

气球编号 气球填充的内容 周长(cm) 初始距离(cm) 冻结1小时(cm)后的距离 由于冻结而导致的百分比变化 由于冻结导致的平均百分比变化
1 氦气
2
3
4
5
1 Air
2
3
4
5
表1。在实验室笔记本中创建一个类似这样的数据表来记录结果。测量的距离将在您在气球上制作的两条线之间,并且该距离将以厘米(cm)为单位测量。

  1. 确保您的冰柜有足够的空间,可以轻松地将膨胀的气球放在某处。气球不应该被挤压或挤压。
    1. 如果您需要在冰箱内移动食物以腾出空间,请务必获得任何将食物存放在冰箱中的人的许可。
    2. 还要确保避免尖角物体或冰箱的部分(例如尖锐冰晶覆盖的区域),这些物体可能会刺穿气球。
  2. 用温度计测量室温。将其记录在实验室笔记本中。然后将温度计放入冰箱,关闭冷冻室门,并在温度计调节到温度计后记录冰箱的温度(这将需要大约五分钟)。然后你可以取下温度计。
  3. 使用氦气罐将其中一个气球炸掉,直至其大部分已满,但未完全充满。然后小心地用气球打结气球。它现在看起来应该与图3类似。将一个短的绳子或带子系在气球的底部,这样你就可以握住它,它不会飘走。
    1. 按照氦气罐(或其包装)上的说明给气球充气。
    2. 请务必遵守水箱附带的所有安全注意事项。
    3. 注意:气球可能不会漂浮得很好,因为它不是完全充满氦气,但它不需要完全填充,以便在这个科学项目中工作。然而,即使气球没有漂浮,它至少应该能够直立在表面上。
绿色气球的图片膨胀并系上了。
图3. 将气球向上填充,使其大部分已满,但不完全。在气球底部打结后,一定要系上绳子,这样你的氦气球就不会浮起来。
  1. 使用永久性标记在气球底部附近写上”H1″ 。这将是1号氦气球;字母H告诉你它充满了氦气。
  2. 帮助您的助手,测量周长使用布带卷尺或一根绳子(然后根据卷尺测量弦线)对于气球最宽的部分,如图4所示。在实验室笔记本的数据表中记录周长。
    1. 将卷尺或绳子紧贴在气球上,但不要太紧,以免挤压气球并改变其形状.
使用字符串测量绿色气球的周长。
图4. 使用布卷尺或一根绳子测量球囊最宽部分的周长,如图所示。如果使用字符串,则需要使用卷尺测量字符串的长度。
  1. 转动气球,以便查看它的顶部。在最顶部,它应该有一个稍暗的点,如图5所示。
绿色气球顶部的图片,显示一个较暗的地方。
图5. 气球的顶部应该有一个稍暗的点,如图所示。
  1. 使用永久性标记,在气球顶部较暗点的中心做一个小点。这将使您以后更容易识别它。
  2. 取一块布卷尺或其他一些小而灵活的卷尺,并在气球顶部与永久标记相距6厘米处制作两条小线,较暗点作为中点。
    1. 要执行此操作,请将卷尺居中,使其3厘米标记位于您制作的较小位置,然后在0厘米和6厘米处划线。如图6所示。
      1. 您也可以使用卷尺的不同部分来做到这一点,只要线条距离中间点3厘米,彼此相距6厘米。
    2. 完成此步骤后,您的气球应该与图7中的气球类似。
绿色气球的图片显示如何测量两条永久标记线之间的距离。
图6。制作两条相距6厘米的小线,以你在气球顶部黑点中间标记的小点为中心。


在绿色气球上制作的永久性标记线(和点)的图片。
图7. 制作线条后,您的气球应该与此气球相似。

  1. 因为使用厚的永久性标记在精确距离处绘制线条很困难,并且因为您需要精确测量来完成此科学项目,所以现在将测量两条线之间的精确距离你刚画了仔细测量是非常重要的,这样您就可以确定气球是否会改变尺寸。将其记录为实验室笔记本中数据表中的”初始距离(cm)” 。
    1. 拍摄卷尺并测量线条之间的距离并记录精确距离。例如,这可能是5.95厘米或6.15厘米。
    2. 如果距离不完全是6.00厘米,请不要担心。如果它不完全是6.00厘米,则记录确切的距离。
    3. 由于永久性标记的线条可能很粗,因此您需要注意测量标记的位置。您应该始终从两个标记的外部进行测量。例如,在图6中,卷尺是从两个标记的外部测量的。
  2. 将气球放入您清理出来的区域的冰箱中。将计时器设置为1小时(小时),并将气球放在冰箱中整整一小时。
    1. 在此期间请勿打扰气球或打开冰箱。让任何使用冷冻机的人都知道你正在进行科学实验,而不是打开冷冻柜。
  3. 将气球放入冰箱1小时后,将胶带放入冰箱,气球仍然放在冰箱中(但打开冰箱门让气球进入),快速测量距离两条线之间,如步骤10中所做的那样。将其记录为实验室笔记本数据表中的”冻结1小时(cm)后的距离” 。
    1. 注意:气球可以在从冰箱中取出后快速改变尺寸,因此在冰箱中进行测量非常重要(不要将气球从冰箱中取出),保持气球的温度尽可能与封闭式冰箱中的气温相似.
    2. 再次确保从两个标记的外部进行测量。
  4. 重复步骤4-12,但这次自己吹气球(使用肺部空气)。
    1. 重复步骤4时,为新气球充气,使其看起来与第一个气球的大小相同,但不要将其系住。捏住拇指和手指之间的开口,使空气无法逃脱。让你的助手测量气球的周长,然后调整气球中的空气,直到它在第一个气球的大约2厘米(正负)内(通过吹入更多的空气,或让一点点逃逸)。然后把它绑起来.(您不需要附加字符串。)
    2. 当重复步骤5时,将气球标记为”A1″ ,因为这将是气球编号1.”A” 表示它充满了空气。
    3. 不要忘记将结果写在实验室笔记本的数据表中。
  5. 重复步骤4-13,直到您测试了五个氦气球和五个气球。
    1. 每次使用一个新的气球,所以你总共要经历十个气球。
    2. 对于每个氦气球,尝试使相同编号的气球具有大致相同的周长(如步骤13a中所述)。
      1. 例如,如果您将2号氦气球充气至周长为50厘米,那么您可以将2号气球吹气至周长为48.5厘米。同样,如果3号氦气球的周长为54厘米,那么3号气球的周长可以为55厘米。
      2. 如果你愿意,你可以尝试让你的所有气球具有相同的周长,但是当从氦气罐中填充气球时这可能是一项挑战,并可能导致浪费的氦气
    3. 充气后立即使用每个气球。这很重要,因为气体会随着时间的推移从气球中逸出。
    4. 请注意,此测试可能需要一天以上的时间,因为每个气球在冰箱中需要1小时。如果您一次可以在冰箱中安装多个气球,那么您可以同时测试多个气球,但您仍需要快速进行测量。请务必做出相应的计划。
  6. 完成所有十个气球的测试后,您可以继续下一部分来分析结果。

分析结果

  1. 计算从室温初始距离到每个气球的冻结距离的距离(线之间)的百分比变化,并将其记录在实验室笔记本的数据表中。使用公式1执行此操作。

    等式1。

    1. 例如,如果气球的初始距离是6.05厘米,并且在冷冻后它是5.35厘米,由于冷冻导致的百分比变化将是11.6%(因为6.05厘米减去5.35厘米是0.70厘米,并且0.70厘米除以6.05厘米是0.116,与11.6%相同.
  2. 接下来计算所有氦气球和所有气球距离的平均百分比变化,并将其记录在数据表中。
    1. 例如,如果五个氦气球的距离变化百分比分别为9.5%,11.6%,12.3%,10.2%和9.2%,则平均值为10.6%(因为这是这五个的总和)数字除以5)。
    2. 注意:列出的百分比已经弥补,不应与您收集的数据进行比较。
  3. 制作结果的条形图。将由于冻结引起的平均百分比变化放在y轴(垂直轴)上,并在x轴(水平轴)上填充气球(氦气或空气)。制作一个用于氦气球的杆和一个用于气球的杆。
    1. 如果需要,您可以制作另一个条形图,显示您测试的十个气球中每个的结果。如果这样做,请将百分比变化放在y轴上的距离上。在x轴上放置气球的号码。使氦气球的条形成一种颜色,气球条形成不同的颜色。尝试配对相同编号的气球。
  4. 查看您的数据和图表并分析结果。
    1. 氦气球如何在冷冻后改变尺寸?气球怎么样?
    2. 您是否看到氦气球与气球之间的百分比变化存在差异?换句话说,一种气球的尺寸变化是否比另一种气球更大?
    3. 你的结果对你有意义吗?你能用你的结果来解释为什么赛车上的轮胎充满了氮而不是空气吗? 提示:如果您感到难过,请尝试重新阅读​​简介

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