自己做个小装置,测一测风的速度吧!
关键概念
大气
环境
速度
天气
风
引言
为什么会有风?大小不同的气压,是产生风的原因。风从气压高的地方流向气压低的地方,这就和一个开口没有扎上的气球一样,因为气球内部的压力高于气球外部,气就从气球里漏了出来,产生了一股风。这股风的速度可以测量出来,用到工具叫做风速计。
风速计的样子和风向标差不多,但它上面没有指示方向的指针,而是有四只杯子。这四只杯子可以准确地测出风的速度。每只杯子都插在一只水平旋臂上,每一只臂都与垂直的中轴相连,好像轮子的辐条一般。风推动杯子,带动中轴旋转,风速越快,中轴旋转的速度也越快。你DIY的风速计能转多快?
背景
空气由一些细小的分子构成,当分子受热,它们运动的速度加快。因此,当空气受热时,由于分子运动速度的增加,空气活动的空间也增大了,密度便随之减小。这也意味着空气产生的整体压力减小了。相比之下,冷空气中的分子挨得更紧,它们密度更大,压力也更大。
如果气压较低的地带周围存在较高的气压,两种气压就会产生互相调和的倾向。空气从高气压处运动到低气压处的过程,就是风吹动的过程。当风推动风速计上的杯子,会带动中轴旋转,杯子转动的速度可以用每分钟的转数(rpm)表示。因此,风速越快,测量得到的rpm值越高。
材料
五只3盎司纸杯
削尖的铅笔
尺子
两只吸管
大头针
订书钉
带橡皮的铅笔
可以调档的风扇(可选)
计时器(可选)
准备工作
1.拿出四只杯子,各在杯身上距杯沿下方一寸的位置戳一个孔。
2.拿出第五只杯子,在同样的位置高度打4个等距的孔;杯子底部的中心也打一个孔
步骤
1 首先先处理只打了一个孔的纸杯。用吸管穿过孔洞,抵住对面的杯壁后弯折一小截,用订书机把这一截和杯壁钉在一起。另一只吸管也重复同样的操作。
2 吸管的另一头穿过五孔纸杯杯壁上的打孔,两只吸管方向垂直。旋转吸管,使两只单孔杯朝向相同。为什么要调整杯子的朝向?
3.用第一步的方法,往两只吸管空的一头各再装上一个杯子。转动杯子,使四只杯子的朝向相同,然后用订书机将杯子和吸管钉在一起。
4.调整两支吸管的位置,使得四只悬臂长度相同。在两支吸管的十字交叉处釘一个大头针。小心不要扎到自己。为什么要用大头针这种小东西来固定两支吸管?
5.铅笔带橡皮那头朝上,插进五孔杯底部的小孔,把大头针钉进橡皮。6.风速计完成啦!把风速计立起来,轻轻朝一只杯子的口吹气,坚持几秒以后开始使劲吹。风速计的转动发生了什么变化。如果你吹得有点儿晕,停下来深呼吸一下。
附加操作
*如果你有变速的风扇,试试用风扇吹动风速计,计时15秒,看它能转多少转。将这个数值乘以4,就得到了一个rpm值。保持风速计和风扇间的距离不变,换一档继续吹,用同样的方法计数。随着风速的改变,你得到的rpm值发生了怎样的变化?如果恰逢一个大风天,风速计测得的rpm值会不会更大?
*为什么风越大,得到的rpm值也越大?
*你可以选一个起风的天气带着风速计出门,测一测屋外的风速。地形也会影响风速,风灾开阔的操场、狭窄的过道、海滩、湖边,速度都不同。如果你家附近有这样的地方,不妨带上自己的风速计去测试一下。哪些地方风最大?为什么?
*根据rpm值,你可以算出风以米/秒为单位的具体速度。首先,你需要计算风速计旋转起来以后形成的那个圆圈的周长。你可以用卷尺测,也可以用绳子先比一比,让后用直尺测量绳子的长度,测得的长度以米为单位。周长乘以得到的rpm,然后除以60,就是以米/秒为单位的风速。
观察和结果
你的风速计转起来了没有?它在强风中转的更快,还是在弱风里转得更快?
空气由微小的分子构成,风吹打物体的过程,实际上就是这些分子击打物体的过程。这就是吹风的时我们会产生被击打的感觉的原因。风速越快,分子运动的速度越快,击打的感觉越强,风速计上的杯子转动的速度也就越快。因此,在同样一段时间里,风速越快,击打物体的分子数量就越多。
海滩、或是其他有水的地方,往往风比较大。这是因为在水与岸接触的地方,往往会产生不同的气压。和陆地相比,江河湖海的温度更难以改变,所以白天的时候,陆地升温的速度更快,晚上降温的速度也更快。因此,白天的风往往是从水面吹向陆地,因为水面的气压高于陆地气压;而夜晚时分,风向会发生改变,因为陆地的温度将低于水面的温度。