第一章游戏玩转科学
抓住空气
空气是什么？空气有重量吗？空气能产生力吗？风有多大的力量？最适合飞行的形状是什么？声音如何传播？
空气无处不在
空气无处不在，占据着每一个自由空间。空气存在于水、动植物和人类的体内以及其他物体中。虽然空气很轻，而且看不见，但我们仍然发现和称量空气的方法。
在哪里我们可以发现空气？
在水中保持干燥
你需要准备：
● 1个干净的大口玻璃瓶
● 1个乒乓球
● 1张纸
● 1个装水的透明的碗或盆（比玻璃瓶高）
游戏步骤：
1.把纸放入玻璃瓶底。
2.把乒乓球放置在盆内的水面上。
3.把玻璃瓶倒置，扣住乒乓球，然后把玻璃瓶用力往下压，直到瓶口接触到盆底。
发生了什么呢？
水没有进入玻璃瓶内，而乒乓球在盆底静止不动，几乎还是干燥的。
原因解答：
玻璃瓶内的空气阻止了水进入玻璃瓶内，所以玻璃瓶里的纸没被弄湿。如果把玻璃瓶垂直向上提出水面，你会看到，玻璃瓶内的纸几乎没有变湿，玻璃瓶内仍然保持干燥状态。
4.把玻璃瓶再次浸入水中。
5.当玻璃瓶口接触到盆底的时候，稍微倾斜一点点。
发生了什么呢？
一串串空气泡从玻璃瓶里跑出来，冒出水面，然后破裂。水进入了玻璃瓶，乒乓球在玻璃瓶内向上漂浮，最后水把纸浸湿了。
原因解答：
玻璃瓶里的空气找到了跑出玻璃瓶的路径，并且向上升。现在，水进入瓶内占据了玻璃瓶里空气所占据的空间。
真空包装的产品
如果你仔细阅读咖啡瓶包装纸上印刷的信息，你可能会看到“真空包装”的字样。真空包装是一种特殊的制作程序，它把瓶里的空气抽走，使咖啡的香味能够被更好地保留。当玻璃瓶盖被打开的时候，你可以听到一声轻响，就好像是呼吸声。这是空气重新占据了咖啡瓶内的空间而发出的声音。
水中的空气
空气也存在于水中，我们可以通过一个小小的实验来验证这一点。
把一个装满水的透明玻璃杯放在一个热源旁边。当水开始升温时，你会看到一个个充满空气的小气泡聚集在玻璃杯的杯壁上。尽管水中存在空气，但是人类却不能直接从水中呼吸空气。在水下，我们需要用吸管从水面呼吸氧气，或者用装满氧气的氧气瓶来维持呼吸。
空气有重量吗？
称量空气
你需要准备：
● 2根塑料棒，1根长15厘米，1根长30厘米
● 2个大小相同、颜色不同的气球，稍微充气
● 2罐饮料
● 1卷胶带
● 1支铅笔
游戏步骤：
1.用铅笔在30厘米长的塑料棒的中心点处做一个记号。
2.用胶带把两个气球分别套在塑料棒的两端。
3.把15厘米长的塑料棒两端分别粘在两个饮料罐上，然后把30厘米长塑料棒的中心点放在15厘米塑料棒上。
发生了什么呢？
30厘米的塑料棒仍然保持着平衡。
原因解答：
塑料棒两端的两个气球重量相等。
4.把一个气球取下来，打满气，然后把
它再套在30厘米塑料棒的一端，把塑料棒的中心点放在15厘米塑料棒的上面。
发生了什么呢？
充满气的气球的那一端往下压。
原因解答：
充满气的气球里的空气质量比另一端的气球里的空气质量大。
房间里的空气
你需要准备：
● 1把米尺（或1把软尺）
● 1支笔和一张纸
● 1个体重计
游戏步骤：
1.以米为单位，测量房间的大小，分别测量房间的长、宽、高。
2.将测量得到的数据相乘，得出房间的体积（体积=长×宽×高）。
3.科学家们经过计算得出，1立方米空气约重1．2千克。因此，如果用房间的体积乘以1．2，你就可以得出房间里空气的质量。
4.现在用体重计称你自己的体重，与房间中的空气质量相比，哪一个更重呢？
发生了什么呢？
你会发现，房间中空气的重量比你还重。
原因解答：
一个中等大小的房间里的空气重量跟一位成年人的体重大致相等（约为70千克）。
用气泡来吸引猎物
乒乓球从水底浮出来的时候，你可以看到它在水面上快速旋转，因为它比水轻。这也是水里的气泡浮出水面的原因。
巨头鲸会利用这种现象（气泡）来捕捉猎物：它在一大群鱼的下面不断转圈，制造出很多浮上水面的气泡。这些气泡会把鱼吸引过来，而巨头鲸只要坐等美食送上门来就行了！
空气的压力
大气层是指包裹着地球的厚的空气层（约为1000千米厚），它对人体和物体产生巨大的压力，但是却没人注意到它——尽管压在每个成年人身上的空气达15吨！虽然我们在自己身上感觉不到空气的巨大压力，但我们可以发现并测量到它，还能人为地增加空气的压力，并利用空气的压力来操纵机器，克服重力。
空气能产生力吗？
无形的力
你需要准备：
● 1把尺子
● 1大张白纸
● 1块木板
游戏步骤：
1.把尺子放在木板上，使它的1/3露在木板的外面。
2.把白纸放在尺子的上面，并使白纸平摊在木板上。
3.用力向下击打露在木板外面的尺子部分，使纸跳到空中（注意不要用力过猛把尺子打断）。
发生了什么呢？
纸阻止尺子跳起来。
原因解答：
空气向下压着白纸。因为白纸的面积很大，所以尽管向下击打的力量很大，但是纸面上的空气重量足以阻止它跳起来。
空气使水上升
你需要准备：
● 1个盆
● 1个玻璃杯
● 清水
游戏步骤：
1.把玻璃杯放进盛满清水的盆中，使杯底朝上。
2.把玻璃杯向上提，但是不要使杯口离开水面。
发生了什么呢？
玻璃杯中的水面上升了，比玻璃杯外的水面要高。
原因解答：
盆里水的表面上的空气压力把水推进了玻璃杯里。如果玻璃杯的杯口离开盆的水面，空气就会进入玻璃杯，并把玻璃杯里的水向外推出，玻璃杯就会变空。
空气只会向下压吗？
比水更强大的力量
你需要准备：
● 1个杯口光滑的透明玻璃杯
● 1张风景明信片，或者1张明信片大小、表面光滑的卡片
● 少量清水
● 1个用来做实验的水池
游戏步骤：
1.将玻璃杯装满清水。
2.小心地把明信片光滑的一面放在玻璃杯的杯口上。
3.用手指按住明信片，将玻璃杯倒过来。
4.把手从明信片上拿开。
发生了什么呢？
明信片仍然附着在玻璃杯口，而且玻璃杯中的水也没有流出来。
原因解答：
明信片下方的空气压力比玻璃杯中的水的重量更大，这就是明信片能承受住水的重量让水无法流出来的原因。
吸盘的力量
把吸盘用力按在物体表面上时，吸盘里的空气就被挤压出来了。由于吸盘外的空气压力，吸盘紧紧地附着在物体的表面，造成完全密封。但是，如果你把吸盘的边缘稍稍抬起，空气就会进入吸盘里面，吸盘就无法再吸在物体的表面了，因为吸盘里面的空气压力和吸盘外面的空气压力是一样大的。关于这一点，你还可以通过测试哪些物体表面吸盘可以吸住，哪些物体表面吸盘不能吸住的实验来证明。你会发现，吸盘只会吸附在那些表面非常光滑的物体上。而当吸盘按在表面很粗糙的物体上时，空气从外面挤压吸盘，同时迅速地从吸盘和物体表面之间的空隙钻进吸盘。
气压痕迹
环绕地球的空气会压垮我们吗？
你需要准备：
● 橡皮泥或雕塑黏土
● 1个装满水的、用软木塞封口的玻璃瓶
游戏步骤：
1.把橡皮泥弄软，然后把它捏成一个很厚的、与玻璃瓶底形状相同的圆形底座。
2.把玻璃瓶放在橡皮泥底座上，使它保持直立。
3.把玻璃瓶拿起，然后把它颠倒，再竖立在橡皮泥底座上。
发生了什么呢？
玻璃瓶正放在橡皮泥上留下的痕迹比倒着放留下的痕迹浅。
原因解答：
正放的玻璃瓶底座占用的面积大，可以分散玻璃瓶的重量。相反，当把玻璃瓶倒放的时候，相同的重量集中在一个更小的面——瓶嘴上，产生了比之前大得多的压力，因此留下的痕迹自然也就更深。人体所产生的压力同样有赖于接触面的大小，这就是为什么雪橇能够防止滑雪者陷入雪里的原因。
压力的平衡
大气压力由两个面的因素决定：一是我们头顶的大气的质量，另一个则是大气施加压力的对象——地球表面上的每个物体。为什么大气压力没有把我们压垮呢？这是因为人体有很多不同的面，可以向不同方向分散空气压力。同时，最重要的一点是，在我们人体内部，跟其他所有动物和物体一样，存在着向外压的空气，以平衡身体内部和外部的压力。由于这种平衡，我们可以承受压在我们身上的大气重量。
压力的变化
高山上大气的压力比海平面的大气压力要小：越往上走，空气越稀薄，因此产生的压力也越小。在水下也是同样道理：在水下潜得越深，你会感觉到水越来越重。空气的压力同时还随气温的变化（热空气比冷空气轻）而变化，还会受到湿度（含蒸汽水滴的空气比干燥的空气重）的影响。由于空气压力的这些变化，我们需要使用仪器来测量大气压力，比如，气压计和高度计等等。
>气压计被用来测量大气压力，以预测天气状况的变化。
挤压空气
你需要准备：
● 1个去掉针头的注射器
游戏步骤：
空气可以被压缩吗？
1.把注射器的活塞拉起，使注射器里充满空气。
2.用一个手指堵住注射器的口，用力向下推活塞，然后放开活塞。
发生了什么呢？
活塞仿佛被一种看不见的力量推挤，向上弹起，然后停住。你会感觉到有一股强大的推力挤压着你堵住注射器口的手指。把你的手指拿开，活塞就会回到最初的位置。
原因解答：
空气被压缩了，因为活塞压得空气只占据了一个很小的空间。压缩增加了空气的压力——挤压容器内壁和你的手指的那股力量。活塞回到最初的位置是因为被压缩的空气膨胀并从注射器口流出，随后，空气压力减小，然后活塞下落。
压缩空气的力量
轮胎里的压缩空气可以支撑整个自行车、轿车甚至自动列车的重量。由于轮胎的表面柔韧而富有弹性，因此，当车辆行驶到颠簸的路面或遇到不平的物体时，轮胎就会像一个软垫子一样起到缓冲的作用。
直升飞机和降落伞都利用空气压力工作。直升飞机的螺旋桨旋转时，把空气向下推，挤压空气，最终获得一股力让直升机起飞并升上天空。
降落伞的形状就是为了在伞下聚集和压缩大量的空气而设计的。这些空气向上产生足够强大的力，抵消下降的力，并延缓下降的速度。
气垫船是一种悬置在气垫上，并能在陆地和水面行驶的交通工具。
不论是眼药水滴瓶这么简单的东西，还是飞机引擎那么复杂的机器，都利用了将空气压缩至一个更小的空间而产生更大的力的原理。当你放飞一个充气的气球，目送它升入天空时，你也利用了被压缩的空气的力量。
“喷气式”气球
你需要准备：
● 1根绳子
● 1卷胶带
● 1个中号气球
● 1根吸管
游戏步骤：
1.将绳子穿过吸管，在房间内寻找两个相同高度的点，并把绳子拉直，将两端紧紧系在这两个点上。
2.将气球充气，并用手指夹紧气球嘴。
3.用胶带把气球粘在吸管下方，然后把气球拉到绳子的一端。
4.用手指拉住气球嘴，然后松开。
发生了什么呢？
气球带着吸管飞快地向前滑去。
原因解答：
当充气的气球封闭时，气球里面的空气压力均匀地作用于气球内壁。当气球被松开以后，气球内部的空气膨胀，在后部产生一个推力，推动气球向前。
反作用力的力量
游泳运动员每一次划动手臂，小船划手每一次划桨，都向我们表明，对于每一个作用力，都有一个反作用力。手臂向后划动，或者桨在水面划动，在相反的方向都会有一个同样大小的力，使游泳运动员或小船划手向前移动。这也告诉了我们喷气式飞机的工作原理：它的反应器引擎向外喷射出很热的废气，而由此产生的反作用力十分强大，足以推动飞机向前移动。
热空气和冷空气
在大气中有大量的冷空气和热空气移动，气象卫星将这些情况拍成照片，供气象学家们进行分析，以便预报降雨和台风。这些大量的空气就像风一样，依靠大气的反应和太阳的热量，围绕着地球持续流动。
空气加热、冷却会发生什么？
加热空气和冷却空气
你需要准备：
● 1个气球
● 1个空小口玻璃瓶
● 1个装满热水的盆（注意别被烫伤）
游戏步骤：
1.将气球稍微充气，并将它套在玻璃瓶口上。
2.握着玻璃瓶，将其竖立在热水中1～2分钟。
发生了什么呢？
气球发生了膨胀。
原因解答：
跟其他物质一样，空气也是由分子构成的，而分子是由微小的、运动的粒子组成。热量使得这些分子分开了，这意味着玻璃瓶内的空气发生了膨胀，因此需要更多的空间，所以瓶内空气进入了气球，并且使气球膨胀。
3.打开水龙头，用凉水冲玻璃瓶。
发生了什么呢？
气球慢慢地缩小了。
原因解答：
因为遇冷，空气收缩了，分子之间相互靠近了。因此，空气占据玻璃瓶内的空间变小，使气球内的气体进入玻璃瓶，气球变小。
神奇的玻璃杯
你需要准备：
● 1个玻璃杯
● 1本书
● 1块表面光滑的木板
● 冷水和热水
游戏步骤：
1.将木板轻轻地斜靠在书上，用凉水清洗玻璃杯，然后将玻璃杯底朝上倒放在木板的最高点。
2.用热水冲洗玻璃杯，再把它杯底朝上倒放在木板的最高点。
发生了什么呢？
用冷水冲洗过的玻璃杯沿着木板慢慢向下滑行，最后停住。而用热水冲洗过的玻璃杯会很快地向下滑行，然后跌落。
原因解答：
玻璃杯内的空气被热水加热后，发生膨胀，使得玻璃杯非常轻微地从木板上面抬升，因此它能够不受阻力地很快滑下木板末端。
小心空气膨胀
在每一个气体喷雾剂上，你都会发现这样一个警告：“避免阳光直接照射，避免温度超过50℃。”通过我们之前的实验，你会知道这些警告的原因：喷雾剂里的压缩气体跟空气一样，如果受热，压缩气体就会膨胀，使喷雾剂瓶炸开！
螺旋
冷空气和它受热时质量相同吗？
你需要准备：
● 1张正方形的纸（边长至少为13厘米）
● 1支铅笔
● 1把剪刀
● 1根大约20厘米长的绳子
● 1个热源，比如一个很热的散热器，或者一个电锅（在成年人的监督下使用）
游戏步骤：
1.如图所示，用铅笔在纸上画螺旋图形，然后用剪刀沿着螺旋形的线将纸剪开。
2.在螺旋形的中心穿一个小孔，用绳子穿
过小孔并打一个结固定住。
3.将螺旋条悬挂在热源上。
发生了什么呢？
螺旋条开始自己旋转起来。
原因解答：
空气被热源加热并上升，当上升的空气接触到螺旋的时候，会从螺旋条中间穿过，挤压螺旋条并使之旋转。
热气球
热气球中的热空气比大气层中相对较冷的空气的密度低。因此，只要热气球中的空气保持受热，热气球就能保持飞行。发明出利用热空气让物体上升到空中的方法的是两个法国人——艾丁尼·孟高菲尔和约瑟夫·孟高菲尔兄弟俩，在18世纪，他们利用防油纸制造了第一批热气球模型，并通过燃烧稻草来加热气球内的空气。1783年，另外两个法国人——让·弗朗索瓦·德·罗兹尔和马奎·德·阿兰德，成为了最先乘坐孟高菲尔兄弟制作的热气球遨游天空的两个人。
滑翔机
滑翔机（没有引擎的飞机）的飞行叫做滑行。这也许是由于空气中存在着上升的暖气流，所以滑翔机可以在空中滑行——暖气流的上升速度比滑翔机下降的速度要快。
滑翔机通过带引擎的飞机或绞盘的牵引升空，然后利用暖气流盘旋上升，最后开始滑行（也就是无动力飞行），直到遇到另一股暖气流。飞行员的技巧在于要很清楚地了解暖气流在何种情况下形成和发生变化，并以此来寻找滑翔机可以利用的下一股暖流，继续保持飞行。
由于利用了空气中的暖气流，这种飞行有时候也被称作“暖气流翱翔”。
热量如何在空气中传导？
空气循环
你需要准备：
● 薄纸条
● 1把剪刀
● 1根细绳
● 1卷胶带
注：这个实验必须在冬天一间温暖的房间里进行。
游戏步骤：
1.用胶带把纸条粘在一条至少1米长的细绳上。
2.如图所示，用另外两块胶条把绳子的末端固定在窗户的两个下角。
3.打开窗户，使它刚好拉紧绳子。现在，开始仔细观察纸条的运动情况。
发生了什么呢？
纸条朝房间内弯曲。
原因解答：
冷空气进入房间，把纸条压向房内。
4.现在，重复这个实验。这一次，把绳子的末端粘在窗户的两个上角。
发生了什么呢？
纸条朝房间外弯曲。
原因解答：
冷空气从窗户的下部进入房间的同时，热空气从房间的上部向外逃逸，把纸条压向房外。
加热房间
热能够穿过冷的物体和热的物体。在一个房间内，散热器先把它附近的空气加热，然后加热周围的空气。随着热空气上升，它原来所占据的空间就会被质量更重的冷空气所占据。这一部分冷空气接着也会被加热，然后上升，当热空气升到很高后，与冷空气接触，并加热冷空气。因此，热空气又会变冷，然后下沉。这个热空气-冷空气-热空气的循环周而复始，这种空气由下到上，再由上到下的运动被称作对流（意思是“传导”）。
保存热量
你需要准备：
● 3个一样的带盖玻璃瓶
● 羊毛巾
● 几张报纸
● 1个与三个玻璃瓶一样深的盒子
● 热水
● 可以在水里使用的温度计
游戏步骤：
1.将第一个玻璃瓶用羊毛巾裹起来。把第二个玻璃瓶放在盒子里，并用揉皱的报纸把它包起来，第三个玻璃瓶则不用任何东西包裹。
2.将三个玻璃瓶都装满热水，然后测量出每个玻璃瓶的水温，盖上盖子。
3.把三个玻璃瓶放在一个寒冷的地方（如阳台上或一个寒冷的房间）30分钟。
4.用温度计测量哪个玻璃瓶里的水的温度下降最少。
发生了什么呢？
水温下降最多的是没有包裹的那瓶水，而水温下降较少的则是盒子里围着皱报纸的那瓶水和用羊毛巾包裹的那瓶水。
原因解答：
羊毛巾和报纸能保存热量，并且使瓶子与冷空气隔绝了，这延缓了水温的下降。
保存热量
热的导体有很多种，其中一种是金属，因为它受热后可以立即把热量传导出来，这就是为什么水壶的金属柄很快就变热的原因！自由流动的空气向四周传播热量，金属会保存并吸收热量，这就是金属成为优良导体的原因。
同时，我们也利用双层玻璃窗来阻止房间内的热量向外逃逸。玻璃窗的两个窗格间的间隙可以保存空气，成为一道热空气和冷空气之间的屏障。羊毛衣物、填料、鸟类的羽毛、以及很多动物的皮毛都以同样的方法来保存热空气。即使是雪也能成为隔热层，保护动物和植物的种子不受危害性霜冻的侵害。
热空气和冷空气产生的压力相同吗？
谁在挤压塑料瓶？
你需要准备：
● 1个有盖的1．5升空塑料瓶
● 热水
游戏步骤：
1.将塑料瓶装满热水。
2.等待几秒钟后，将塑料瓶里的水倒空并迅速盖上瓶盖。
发生了什么呢？
你会发现，塑料瓶变扁了，就好像有一双手在挤压瓶身！
原因解答：
塑料瓶里的空气因为受热膨胀变轻，因此对内壁产生的压力比瓶外空气对外壁的压力小，所以，塑料瓶外的空气挤压瓶子，使之变扁。
高空俯瞰图
地球周围环绕着无数的对流气流，它们是由太阳的热量引起的。空气持续不断地从温度较低、空气质量较重的高气压区（如南极和北极地区）流向温度较高、空气质量也较轻的低气压区（如赤道地区）。这些大量空气的运动形成了风，温度也不断发生变化。这就是气象学家和气象预报员认真研究它们的原因。在低气压区，我们可以预测到降雨天气，因为空气上升，聚集在一起形成云朵；在高气压区，我们可以预测到干燥的天气，天空晴朗，阳光灿烂，因为风把云推向该区域的外部。
∧欧洲的一张卫星云图显示：英国上空有一个气旋。
风有多大的力？
空气的推力
你需要准备：
● 1张卡片
● 1支铅笔
● 1把剪刀
● 1个图钉
● 1根小木棍
游戏步骤：
1.如图所示，把纸剪成图中的形状。
2.把图中的阴影部分折起来，做成风车。
3.把风车的中心点用图钉钉在小木棍上。
4.确保风车能够自由地旋转。拿着小木棍，使风能吹到风车。
发生了什么呢？
风车飞快地旋转。
原因解答：
空气吹到卡片上时，就会对着卡片聚集一起，但是被卡片的4个角阻挡了。风对卡片的4个角的推力让风车不断旋转。风车房和风力农场里风力机器的工作原理与此相同。风吹在可以被推动的阻碍物——帆的表面，可以使它转向。在风力农场里，风能被转化为电能。
龙卷风
低气压区，也被称为气旋，比高气压更多变，并且能形成旋风。根据产生地的不同，旋风也被称为台风或飓风。热带气旋是地球上已知的破坏力最强的气象现象，它能够造成彻底的毁灭，摧毁任何挡在它前进道路上的东西。在旋风里，风围绕着叫做“旋风眼”的中心点以高达500多千米的时速飞快旋转，而在旋风眼中心，气压较低，天空晴朗，空气平静。