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今朝天下 2020-11-13 17:52

从肥皂泡看物理知识

  日常生活中,我们常看到一些小朋友吹肥皂泡,一个个小肥皂泡从吸管中飞出,在阳光的照耀下,发出美丽的色彩。此时,小朋友们沉浸在欢乐和幸福之中,我们大人也常希望肥皂泡能飘浮于空中,形成一道美丽的风景。但我们常常是看到肥皂泡开始时上升,随后便下降,这是为什么呢?

  这个过程和现象,我们只要留心想一下,就会发现,它其中包含着丰富的物理知识。这里我们要从热学与力学角度入手。利用初二下与初三上学期学到浮力与热传递的物理知识大可以去解决目前这个问题。

  在开始的时候,肥皂泡里是从嘴里吹出的热空气,肥皂膜把它与外界隔开,形成里外两个区域,里面的热空气温度大于外部空气的温度。此时,肥皂泡内气体的密度小于外部空气的密度,肥皂泡会排开一定的空气体积。根据阿基米德原理可知,一切浸在液体或气体内的物体都会受到液体或气体给的竖直向上的浮力。在气体中,物体所受的浮力大小与排开空气的体积有关系,气泡越大,受到的浮力越大。给气泡吹气后,此时肥皂泡受到的浮力大于它受到的重力,因此它会上升。这个过程就跟热气球的原理是一样的。

  随着上升过程的开始和时间的推移,肥皂泡内、外气体发生热交换,这里就是吹出的热空气与外界空气进行的热传递。高温物体向低温物体释放热量,最终可以达到两者温度相同,此时热传递停止。最后会有气泡内部气体温度下降,因热胀冷缩,肥皂泡体积逐步减小,它受到的外界空气的浮力也会逐步变小,而其受到的重力不变,这样,当重力大于浮力时,肥皂泡就会下降。

  想一下如果两个气泡在空中碰撞在一起会怎样?爆破还是合并?都不会。他们会连接到一起。这里面我们可以用分子运动来简单介绍一下,因为要想彻底弄明白,我们需要用到大学物理知识。单个的泡泡内部是空气,与泡泡壁不是同一种形态的物质,两个泡泡接触的时候泡泡壁因为分子运动而轻易融合到了一起变成了一层,而两个泡泡内部的空气因为始终有泡壁的存在没有互相接触并且融合的条件。所以两个泡泡接触中间会有一个隔开的薄膜。整体厚度要比一层厚,两层薄。

  这样我们从热学与力学角度入手,把一个简单的生活现象解释清楚。其实生活中有很多常见的物理现象。现在天气转凉,我们可以看到早点摊热腾腾的“白气”,戴眼镜的同学从寒冷的室外进入到温暖的室内,眼镜上会蒙上一层“哈气”。想一下这些在炎炎夏日根本不可能发生。这又该怎么解释呢?其实这些都可以用我们的液化知识去解释,即高温水蒸气遇冷会凝结成水珠,也就是我们看到的白气。生活中还有更多有趣的物理现象等待我们去揭秘去探索。

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