1. 3M科学总动员@家庭实验 –液态烟花

液态烟花

肥皂如何改变分子的相互作用方式?

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关键概念

  • 分子相互作用

     


  • 介绍

    庆祝的时间到了!不用火怎么能获得烟花的惊人效果?在此实验中,我们仅使用简单的厨房用品就可以创造出非常绚丽的烟花色彩。

  • 背景

    肥皂分子的结构使它们能够轻松清除污垢,以及在油性颗粒周围移动。它们由末端带有原子的烃链组成。烃的一端亲油疏水,而另一端则亲水疏油。在实践中,这可以造成各种有趣的效果。使用下面的材料,查看是否可以在厨房的饭桌上创造一系列的色彩。

  • 准备工作

    • 在碗中装半碗牛奶。
    • 在中心附近滴入3-4滴颜料。您可以使用一种或几种颜色,只是尽量不要将它们混合在一起。
  • 步骤

    1. 用液体肥皂覆盖棉签的一端。
    2. 做一个预测。当肥皂和牛奶混合在一起时会发生什么?
    3. 取棉签,然后将其轻轻放在颜料的中央。不要混合或搅动,只需观察会发生什么。
    4. 尝试将棉签移动到碗的不同部分。它在边缘和在中间工作的方式是否有不同之处?肥皂最终会停止工作吗?图案每次看起来都是一样的吗?
  • 观察与结果

    为什么颜料会从棉签上移开?牛奶中含有脂肪和水,而脂肪则不溶于水。肥皂由可以与脂肪和水相互作用的特殊分子组成,因此,当肥皂开始与牛奶中的脂肪分子连接时,这种特殊分子就使得肥皂可以溶解在水中并四处移动。肥皂分子正在寻找可以与之结合的脂肪分子,当它们移动并通过牛奶时,它们会将颜料推开。最终停止下来是因为所有的肥皂分子都找到了脂肪分子来连接,它们不再需要移动。这就是为什么洗碗皂能有效去除碗碟上的油脂。肥皂分子附着在油脂分子上,使它们更容易溶于水,因此可以把油脂直接冲洗掉。

  • 清理

    作完实验后请务必进行清理工作。将液体混合物倒入水槽,然后用水将其冲洗进入下水道中。将碗或碟清洗干净。扔掉棉签,然后将其他材料放回到它们原来的位置。

  • 更多探索

    如果牛奶中的脂肪是造成这种情况的原因,那么尝试使用不同脂肪含量的牛奶会使得结果有所改变吗?例如,您是否可以使用脱脂牛奶或采用脂肪含量为2%或1%的牛奶来代替全脂牛奶?是否可以采用奶精呢?您还有什么用牛奶制成的并且可以是液体的东西?

    牛奶之所以很棒,是因为白色背景可以很容易地看到食物的颜色,但是否一定要用牛奶呢?或者您是否可以使用其他液体,甚至可以混合使用其他液体呢?请记住,并非房屋周围的所有液体都是安全的,因此在使用前请务必征求大人的确认。如果要使用不能饮用的液体,一定需要特别地小心。

    您是否认为除了洗碗皂以外一定还会有其它的东西可以使用来以产生相同的效果?如果您发现存在有作用效果更好或更差的选择项,您能否提出或研究出他们的作用效果为什么更好或为什么更差的原因?

    最后,考虑的是棉签的情况?看看您是否可以想到其他添加洗碗皂的方法。如果您同时将其添加到两个或多个位置会怎么样?

    奖励:颜料可以很好地作为视觉展示,但是随时可以自由地发挥创意。您可能可以想出其他证明牛奶在运动的方法。

  • 安全第一和成年人监督

    • 认真按照实验说明进行操作。
    • 在每个实验中,应当由监护人提供协助。
    • 虽然在家进行科学实验是学习动手科学的好方法,但请注意,有些实验可能要求参与者采取额外的安全预防措施,否则,有可能会出问题。
    • 针对可能有害的材料或锋利的物体,大人应当给予处理或协助处理。
    • 在进行任何实验之前,大人应了解这个实验,确保学生年龄适合参与每项活动。

科学知识教学大纲

这项实验之所以被“科学总动员之家庭实验”选中,是因为分子相互作用是重要的科学知识。其在多个科学或工程学科中都非常重要。

物理科学1:物质及其相互作用

一阶段

  • 1.存在不同种类的物质,并且可以通过可观察到的物质的特性来进行描述。
  • 2.不同的性质对应其不同的用途。

二阶段

  • 1.可以将任何类型的物质分割成为极小的肉眼看不到的粒子,但即使看不到,但这些物质仍然存在,并且可以通过其他方式检测到。

三阶段

  • 1.物质是由不同种类的原子组成的,这些原子以不同的方式结合在一起。原子形成的分子大小从2个原子到数千个原子。
  • 2.气体和液体是由相对运动的分子或惰性原子构成的。在液体中,分子不断地与其它分子接触。

四阶段

  • 1.每个原子都有一个带电的子结构,该子结构由原子核组成,原子核由质子和中子构成,原子核的外部被电子包围。
  • 2.物质在大尺度上的结构和相互作用是由原子内部和原子之间的电作用力所决定的。

一阶段

  • 1.当两种或两种以上不同的物质混合时,可能会形成具有不同特性的新物质。
  • 2.无论发生什么反应或性质变化,物质的总重量不会改变。

二阶段

  • 1.物质以特有的方式发生化学反应。 在化学反应过程中,组成原始物质的原子被重新组合成不同的分子,这些新物质具有与反应物不同的特性。
  • 2.每种类型的原子的总数量为守恒的,因此质量不会改变。
  • 3.一些化学反应释放能量,另一些则储存能量。

三阶段

  • 1.在化学反应过程中,其反应速率及能量是否储存或释放,可以从分子的碰撞和原子重新排列成新分子的角度来理解,从而理解成一组分子中与动能变化相匹配的所有键能的总和变化。
  • 2.原子守恒的事实以及有关化学元素性质的知识,可以用来描述和预测化学反应。

物理科学2:移动性和稳定性:力量和运动

一阶段

  • 1.推力和拉力可以有不同強度和方向。
  • 2.推或拉动物体可改变其运动的速度或方向,并可以启动或停止它。

二阶段

  • 1.每股力量作用于一个特定的物体,同时具有强度和方向

三阶段

  • 1.对于任何一对互动的对象,第一个对象对第二个物体施加的力道等于第二个对象对第一个物体施加的力道,但方向相反。

四阶段

  • 1.牛顿的第二定律准确地预测了宏观物体运动的变化。

一阶段

  • 1.当物体接触或碰撞时,它们相互推动,并可以改变运动方向。

二阶段

  • 1.接触中的物件相互施力。
  • 2.靠近地球表面的物体,会受到地球的引力作用,将物体拉向地球中心。

三阶段

  • 1.引力总是吸引的。任何两个质量之间有一个引力,但它非常小,除非一个或两个物体有大质量。

四阶段

  • 1.原子尺度电荷之间的吸引和排斥解释了物质的结构、性质和变换,以及物质物体之间的接触力。

上述品牌均为3M公司的注册商标。
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