1、姆潘巴現象被稱為世界物理難題,四十多年來遭到了物理老師的否定,還被媒體說成是謊言。
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2、然而,根據中學物理理論我們可以發現姆潘巴問題只是一道中學生知識大綜合題,每一名中學生都可以掌握其證明的方法。
3、證明:假設熱水可以比冷水先結冰,那么必要條件是或者熱水的冰點比冷水高、或者熱水的降溫速度比冷水快。
4、由于在常壓下純凈的熱水與冷水冰點相同,所以要證明姆潘巴現象就必須證明熱水的降溫速度快于冷水。
5、根據物理基礎理論:熱水的蒸發強度大于冷水而密度小于冷水。
6、如果取兩只相同的非密封容器,放入同質同量的水,一個為熱水,另一個為冷水,把它們同時放進同一外部環境溫度中。
7、熱水在降溫過程中因蒸發而失去的水分比冷水多,所以初溫高的水最終質量必然小于初溫低的水,熱水的降溫速度也必然始終比冷水快。
8、如果取兩只相同的密封容器,放入同質同量的水,一個為熱水,另一個為冷水,把它們同時放進同一外部環境溫度中。
9、熱水在降溫過程中因密度增大、體積縮小而形成的容器內氣壓必然低于冷水因降溫而形成的容器內氣壓,熱水的沸點溫度比冷水低并且對流強度大于冷水,熱水在單位時間內失去的熱量始終比冷水多,所以熱水的降溫速度必然始終比冷水快。
10、同時,根據水的三相圖理論:當水受到的氣壓降低時,冰點溫度升高。
11、初溫高的開水因最終受到的氣壓低于初溫低的冷水,所以開水的冰點高于冷水的冰點。
12、由于在同質同量同外部環境溫度條件下熱水的降溫速度始終比冷水快,當外部環境溫度處于持續降溫狀態時,熱水的溫度會比冷水溫度更低;當外部環境溫度處于特定時間內或特定溫度范圍內降溫狀態時,熱水的溫度會與冷水相等或者高于冷水。
13、所以,在同質同量同外部環境溫度條件下熱水的溫度會比冷水溫度更低是一種普遍現象,冷水比熱水先結冰是在特定的外部環境溫度條件下出現的特定現象..如果我們選取同質同量的純水,其一為4℃的冷水,另一為100℃的沸水,采用令二者降溫速度十分緩慢的同一外部環境溫度條件做實驗,那么任何人都無法讓4℃的冷水比100℃的熱水先結冰。
14、通過實驗可以證明:姆潘巴現象符合物理基礎理論,人們否定姆潘巴現象,主要是自身在觀察客觀事物方面或冷凍實驗過程中存在不足。
15、以上海三名高中生的實驗為例:她們在黃曾新老師的指導下,僅僅做了在快速冷凍條件下的實驗,沒有去觀察在緩慢降溫條件下的冷凍結果,所以她們的實驗不能成為否定姆潘巴現象的理由。
16、根據中學物理基礎理論和目前已掌握的正確實驗方法可以知道,只有當熱水和冷水所處的同一外部環境溫度條件使得初溫低的冷水降溫到完全凍結需要較長或無限長的時間狀態下時,姆潘巴現象才能發生或一定發生。
17、所以姆潘巴現象的發生需要冰箱緩慢降溫,而冰箱降溫越是緩慢其溫度不均勻現象越弱,對實驗的結果影響也越小。
18、冰箱降溫越快其溫度不均勻現象也越強,這反而有利于冷水先結冰而不利于熱水先結冰。
19、姆潘巴將牛奶煮沸后立即放進冰箱,而他的同學卻是將沒有加溫的冷牛奶直接放進冰箱,如果二人在牛奶放進冰箱時都放了糖,那么糖在熱牛奶中的溶解速度比在冷牛奶中的溶解速度快得多,仍然應該是同學的冷牛奶先結冰。
20、從現有資料上可以發現,世界上做冰淇淋的配方五花八門,其中許多配方中并沒有淀粉,我們可以參照上海地區銷售量比較大的光明牌冰淇淋進行分析:光明牌冰淇淋品種眾多,但從其配方來分類主要集中在兩大類,一類是采用水和油脂經快速攪拌所形成的乳化液為主要原料,配方中必須加入淀粉以增加其稠粘度,同時還得加入糖、香精、穩定劑等等。
21、另一類主要是采用奶粉為主要原料,由于這一類冰淇淋口感好,但成本比前一類要高,所以在外包裝上都標明純牛奶字樣。
22、姆潘巴和同學是采用牛奶做冰淇淋的,由此可知姆潘巴的冰淇淋中不會含有香精、穩定劑等物質,如果是沒有加水或加水較少的原奶,則姆潘巴沒有必要再加入淀粉來破壞口感。
23、奧斯玻恩是用熱水與冷水做實驗并證明姆潘巴說的那個現象屬實,奧斯玻恩不會節外生枝的在水中加入糖或者還加入了淀粉。
24、姆潘巴現象作為一種客觀事實,數十年來卻受到世界物理界的懷疑和爭議,這幾年國內更是一片否定之聲。
25、其實,完成這個證明是十分簡單的事:將同質同量而初始溫度分別為100℃的開水與35℃的涼水同時放進冰箱冷凍室內,如果冷凍室內的溫度條件對水形成快速降溫狀態,我們看到的往往是初溫低的水先結冰了,但這僅僅是一個片面現象。
26、只要切斷冰箱的電源,使冷凍室內的溫度上升,當被凍結的開水與涼水完全溶化后,再一次進行冷凍實驗,結果只能是原先的開水先結冰;如果反復這個實驗過程,后面的結果都將是同一個結果。
27、所以,在快速降溫狀態下冷水可以出現、也僅僅出現一次先結冰現象。
28、如果冰箱冷凍室的溫度條件對水形成緩慢降溫狀態,我們看到的是初溫高的開水先結冰。
29、假若此時讓冷凍室內的溫度上升,當開水和涼水完全溶化后再一次降溫冷凍,那么不論冷凍室內的溫度條件處于何種狀態,結果都是原先的開水先結冰。
30、如此反復操作,同樣只能是原先的開水先結冰。
31、因此,在緩慢降溫狀態下冷水不可能先結冰。
32、姆潘巴現象讓我們對水的特性有了更多的了解,而《姆潘巴現象》所受到的遭遇說明科學而認真的態度在認識自然、掌握自然過程中的重要性。
33、附:完成開水先結冰實驗的操作要點。
34、四十多年來,世界上很少有人完成開水先結冰的實驗,其原因在于實驗的方法缺乏科學性。
35、從理論上說,在同質同量同外部環境溫度條件下36℃的水可以比35℃的水先結冰,但如果二者的溫度比較接近,那么它們在蒸發強度和密度上的差異較小,很難用實驗的方法來體現熱水在降溫速度上的優勢。
36、根據物理基礎理論,在常壓下100℃是水的沸點,在4℃時水的密度最大,為了更清晰地完成熱水先冰的實驗,我們可以依據姆潘巴問題給出已知條件,選用盡可能接近100℃的熱水與4℃的冷水、合理的外部環境實驗初始溫度、減緩外部環境溫度的下降速度;非密封容器具備較大的蒸發面積,密封容器有較高的密封度。
37、特別要注意開水的提取方法:沸水一但離開加熱源,溫度和蒸發強度的下降很快,必須快速準確的先提取定量的開水,然后再按同質同量要求提取冷水。
38、 采用非密封容器完成開水先結冰實驗的操作方法:(供參考)1, 將冰箱冷凍室內的實驗初始溫度控制在4℃,取兩只相同的盤子,放入同質同量的水,一個為4℃的冷水,另一個為接近100℃的熱水,把它們同時放進冰箱冷凍室內。
39、控制冷凍室內溫度的下降速度,使其每小時下降1℃(或每二小時下降1℃),完成冷凍后記錄熱水與冷水的最終質量。
40、2, 在冬季,利用自然降溫完成這個實驗。
41、當某一天中午戶外氣溫不低于4℃而夜間的最低溫度在零下2~3℃時,可選擇在中午時間取兩只相同的盤子,放入同質同量的水,一個為接近100℃的熱水,另一個為溫度與戶外氣溫相同的冷水,把它們同時放到戶外同一位置上,記錄熱水與冷水完全凍結的時間和二者最終的質量。
42、3, 參照上海三名高中生的實驗方法操作,冷凍結束后記錄熱水與冷水的最終質量。
43、根據熱水最終質量小于冷水來證明:因為熱水的降溫速度始終快于冷水,熱水可以比冷水先結冰。
44、4,取兩只相同的容器,放入同質且同重量的純水,其一為100℃的開水,另一個為35℃的冷水,把它們同時放置于常溫(不低于水的冰點)環境中,當經過充分長時間(5小時、10小時或1天、2天)后,將它們同時放進冰箱,則初始溫度高的開水先結冰。
45、理由:開水與冷水在同一外部溫度環境中經過充分長時間后,它們的溫差幾乎為零,如果容器是密封狀態,那么熱水在降溫過程中因密度增大、體積縮小而使容器內部的氣壓小于冷水此時在容器中形成的氣壓,。
46、繼續降溫則初溫高的開水因沸點更低、對流強度更大,單位時間內由容器外壁熱傳導而失去的熱量更多,所以開水降溫的速度更快能先到冰點。
47、如果容器是非密封狀態,那么熱水因蒸發強度大于冷水而失去更多的水分,繼續降溫則初溫高的開水因質量此時已經小于初溫低的冷水,所以單位時間內降溫速度更快而能先到冰點。
48、5,取相同容器,分別放入同質且同重量的開水和冷水(純水)并同時放進冰箱,當二者都已結冰后切斷冰箱電源讓冷凍室內的溫度上升到水的冰點之上,等到二者均完全溶化后再次接通冰箱電源繼續冷凍,則開水先結冰。
49、理由同上。
50、6,當冰箱處于35℃的外部環境溫度中時,切斷冰箱電源并讓冷凍室內的溫度也處于35℃,取相同容器分別放入同質且同重量的100℃的開水和35℃的冷水(純水)并同時放進冰箱,接通冰箱電源且控制冰箱冷凍室內溫度的下降速度,使得冷水降溫到冰點需要經過充分長的時間,則開水先結冰。
51、理由同上。
52、7,如果將冰箱冷凍室內的溫度保持為0.1℃,取兩只相同的容器,分別放入同質且同重量的純水,其一為0.1℃的冷水,另一為100℃的開水,把它們同時放入冰箱,繼續將冷凍室內溫度保持在0.1℃,在經過充分長的時間后再將冷凍室內的溫度降低到水的冰點之下,則理論上開水先結冰。
53、理由同上。
54、8,根據姆潘巴問題給出的已知條件:我們可以將冰箱冷凍室內的溫度控制在35℃,取兩只相同的容器,放入同質同體積的純水,其一為100℃的開水,另一為35℃的冷水,把它們同時放入冰箱且控制冷凍室內溫度的下降速度,使得冷水從35℃降溫到冰點需要經過充分長的時間,則初溫高的開水先結冰。
55、理由:常壓下100℃的開水其密度小于35℃的冷水,因此開水的質量小于同體積的冷水,所以姆潘巴問題可以理解為:為什么在同一外部環境溫度條件下,少量的熱水會比多量的冷水先結冰了?答案很簡單:在快速降溫條件下冷水因初溫低而能先結冰;在緩慢降溫條件下熱水因初始質量小于冷水,在密封容器中熱水又因降溫使得容器內的氣壓小于冷水所在容器內的氣壓;在非密封容器中熱水因蒸發強度大于冷水而使熱水的最終質量與冷水的差距更大,熱水因單位時間內降溫速度比冷水快而先結冰。
56、采用密封容器做實驗時,可參照非密封容器實驗2、4、5、6、7、8的操作方法。
57、另:有人認為,亞里士多德的原文中對這一現象的描述是這樣的:“先前被加熱過的水,有助于它更快地結冰”,多數人很可能誤解了此句話的本意,即“先前加過熱的水與先前未加過熱的水在同溫下的比較”而非“熱水與冷水的比較”。
58、因此依據第二種理解即上文所論述的,姆潘巴現象是不成立的;而在第一種理解下,姆潘巴現象是有可能成立的。
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