當兩個橡膠氣球膨脹到大小不同兩個體積並通過帶閥門的管子連接時，會發生一個有趣的現象，如果你打開連接氣球的閥門，乍一看你可能會認為這兩個氣球會變得一樣大。但也可能相反，較小的氣球會收縮，而較大的氣球會膨脹得更多。 許多基於類橡膠材料特性理論的工作已經致力於研究這些材料製成的氣球。在物理教學中，橡膠氣球行為的演示和解釋問題也得到了充分的體現。氣體壓力感應器用於測量氣球中的壓力，而測量氣球的大小，通常使用捲尺但是相當不方便。

本研究的目的是演示如何使用數位工具來研究橡膠氣球的行為。該實驗對於小學生、中學生，尤其是物理老師來說可能很有趣，他們可以利用它來深入研究該學科。

圖1 用於研究橡膠氣球中壓力的實驗裝置實驗法

在實驗中，我們建立如圖1所示的裝置。氣球連接到橡膠塞上，橡膠塞夾在三腳架的腳上。插頭上有兩個孔。 一個電動幫浦連接到一個孔，氣體壓力感應器連接到另一個孔，最後氣體壓力感應器則連到 LabQuest Stream Vernier 數據收集器，再連接到筆記型電腦上。

氣體壓力數據由 Logger Pro 3 收集，取樣率為每秒十次測量的速率測量；Logger Pro 3 是 Vernier 測量系統附帶的數據收集和分析軟體，為了測量氣球的大小，我們用數位相機以每秒 50 幀的速度記錄了它充氣和放氣的過程。 與影片同時測量壓力

數據。Logger Pro 3 還能夠使用 USB 攝像頭錄製影片，並允許您使用可用工具分析影片中氣球大小。

圖2 充氣過程中壓力對氣球體積的關係圖

從上圖2可以看出，在氣球開始充氣時，壓力急劇增加，然後隨著體積的增加逐漸減小，然後又增加。 從經驗中還知道，在氣球還小的時候先給它充氣是最困難的。

圖3 膨脹半顆氣球壓力對體積的相依性

如果我們考慮試圖將氣球的一半與另一半分開的壓力，並建立它對體積的相依性（如上圖3），就會發現這種力只會增加。 要找到這個力，需要找到氣體壓力與氣球橫截面積的乘積。如果我們考慮放氣期間氣球中氣體壓力的相依性（如下圖4），該圖將顯示在相同體積下放氣期間的壓力（藍點）低於充氣期間的壓力（綠點），膨脹結束時，壓力也略有增加。

圖4 橡膠遲滯現象

上面獲得的圖表與其他作者獲得的圖表相似，對這些圖的分析解釋了兩個由管子連接的橡膠氣球的奇怪行為；這取決於每個氣球的充氣階段，如果事實證明小氣球中的壓力高於大氣球中的壓力，則小氣球會變得更小，而大氣球會膨脹，兩個氣球中的壓力將相同。

結論

本文證實了在物理教學中使用數位化科技研究橡膠氣球行為的可行性。我們確定氣球的大小，並使用氣體壓力感應器測量氣球中的壓力。所有這些工具的使用都可以最佳化實驗過程，減少測量時間以增加計算和分析結果的時間。

<節錄於 Mykola Holovko et al 2022 Phys. Educ. 57 065004>

全文資料來源：< https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6552/ac8466>