主要概念
能量
高温
物理
热能
热膨胀
引言
有没有想过为什么橡皮筋在拉伸后很容易快速恢复到原位？当拉伸时，橡胶会用力拉回以恢复原来的形状。它是相当有弹性的材料！当然，你会发现如果你让一个橡皮筋有足够长的时间绕在某个东西上——例如一年或两年——它最后会永远的拉开甚至突然拉断。但是对于橡胶，是什么让它如此顽固地抵抗永久变形？答案与它不寻常的分子结构以及热能或高温是如何连续作用在它的分子上有很大关系。在这个活动中，你将用电吹风和砝码来探索橡胶分子是如何工作的。
背景
物质通常都会热胀冷缩。科学家把这种趋势叫做热膨胀，它在气体中最明显。如果你曾把水瓶放在热的车里，你会熟悉打开瓶盖时发出的热气和水蒸气的嘶嘶声。当提到液体时，热膨胀可以用来解释温度计是如何工作的。通过高温加热，膨胀的红色液体除了沿着温度计的玻璃管向上外没有别的地方可去。通常，辨认出固态物体中的热膨胀是最难的，但是经过一个炎热的夏天，火车轨道的长截段实际上会膨胀，并且由于热膨胀的应力在纵向上压缩铁轨使其弯曲。
材料
厚、宽的橡皮筋
冰块
胶带
方格纸
电吹风
相当重的东西用作砝码（铁锤、订书机、或自行车U型锁都很好）
步骤
拿一个厚、宽的橡皮筋，每只手捏住一端。轻轻地把它展开而不拉伸它。
小心地把橡皮筋放到你的脸上。记录下橡皮筋的温度。你注意到了什么？
快速地拉伸橡皮筋，保持它处于拉伸状态。再次把脸放到橡皮筋上。温度如何变化？你觉得为什么会这样？
不要马上就让橡皮筋回到原来的形状——我们的目标是先让它回到室温！让橡皮筋离开你的脸，等大约15秒。
15秒后，不把手松开，迅速释放橡皮筋上的张力，让它收缩并恢复初始的形状。再次把它放到脸上。这次关于橡皮筋的温度，你注意到了什么？你认为我们如何解释这种现象？
在大约肩膀高度的墙上贴一张方格纸。
把你的橡皮筋缠绕在砝码上，使得砝码可以悬挂在橡皮筋上。
用你的辅手（比如，如果你是惯用右手的，那就用左手）的拇指和食指捏住橡皮筋的另一端。轻轻地把这只手的一侧靠在方格纸上方的墙上一点，这样砝码自由地悬挂在橡皮筋上。确保砝码不与墙接触。
用你另一只手拿笔在方格纸上标记出砝码底部的位置。
拿出你的电吹风，确保它设置的是热风。打开它，把热风对着橡皮筋吹大约15秒。让它向下吹，这样就不会伤到你的手。
橡皮筋加热后，判断砝码是向上还是向下移动了。用你的笔标记下砝码底部的新位置。你观察到的跟你预期的一样吗？你觉得可以怎样解释你的观察结果？
等一会儿，让橡皮筋恢复到室温。
现在，把冰块擦在橡皮筋的表面。仔细观察砝码，判断它是向上还是向下移动了。标记下砝码底部的新位置。你观察到的结果就是你预期的吗？你认为该怎样解释你的观察结果？对于你所有标记的相对位置，你注意到了什么？
观察和结果
你注意到橡皮筋在加热时是如何收缩的，在降温时是如何膨胀的了吗？如果我们把热膨胀作为我们的唯一模型来理解物质受热的行为，那么橡胶给我们扔了一个完全的弧线球！但是这并没有违背热力学定律。当然，了解橡胶在分子水平的行为对理解你的观察结果是必不可少的。
原子温度升高时，它们的振动会加速。当加热时，简单分子结构的物体会膨胀，因为它们的振动原子更难相互碰撞。对于橡胶则没有那么简单，因为构成橡胶的分子中的原子有更加复杂的结构：它们的排布像长链中的链环。当这些链中的一个原子被另一个原子撞击时，被撞的原子在它的链中形成一个扭结，使它缩短。试想这个过程每秒在数以亿计的橡胶分子上发生。橡胶由于数以亿计的微小的、振动的“链”互相扭结而不断收缩，而这都是由于加热造成的！
当你用电吹风给系统增加更多的热量时，这使得橡胶分子更难拉开，因为你使单个原子振动的更快了。当你在橡皮筋上擦冰块时，带走了大量的热能，这使得链放松并形成直线。现在，思考在这个活动的一开始，你把橡皮筋接触到脸上的时候。当你把橡皮筋拉开时，你硬化了它的链，使分子更难相互撞击，振动更快。这产生了更多的热。当橡皮筋收缩时，折叠的链变松，吸收了原子的振动，使得它们振动变缓。这也引起了橡皮筋温度的下降。
从本质上来说，你的电吹风把橡皮筋变成了一个热力发动机——将热能转化为机械能的机器。美国物理学家理查德?费曼描述了如何制造一个更加精密的热力发动机，它利用橡皮筋、加热灯和自行车轮产生稳定的力矩。如果你用橡皮筋代替车轮上的辐条，车轮的轮毂仍在中心，并把车轮安装在固定车轴上，你可以用两个加热灯使一组橡胶“辐条”收缩。这改变了车轮的重心，使得它不再与车轴在相同的位置。当车轮开始转动的时候，新的橡皮筋辐条暴露在热灯下，当这些橡皮筋收缩时，车轮的重心就会不断地变化。重力渐渐地使车轮绕着车轴转动，通过热能产生了力矩。
（翻译 刘夏，审校 余卉）
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