姆潘巴效应是怎么回事?对还是错?

二月拉拉2022-10-04 11:39:541条回答

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xinjian_mm 共回答了30个问题 | 采纳率86.7%
从物理学角度看,致冷有四种并存的机制:辐射、传导、汽化、对流,通过实验观察发现,引起热水比冷水先结冰的原因主要是传导、汽化、对流三者相互作用的综合结果.玻璃杯内盛有4℃冷水结冰时,因为水和玻璃都是热的不良导...
1年前

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姆潘巴效应是什么啊
阳光秋千1年前1
faming205 共回答了20个问题 | 采纳率95%
姆佩巴效应
人们通常都会认为,一杯冷水和一杯热水同时放入冰箱时,冷水结冰快.事实并非如此.1963年的一天,在地处非洲热带的坦桑尼亚一所中学里,一群学生想做一点冰冻食品降温.一个名叫埃拉斯托·姆佩巴的学生在热牛奶里加了糖后,准备放进冰箱里做冰淇淋.他想,如果等热牛奶凉后放入冰箱,那么别的同学将会把冰箱占满,于是就将热牛奶放进了冰箱.过了不久,他打开冰箱一看,令人惊奇的是,自己的那杯冰淇淋已经变成了一杯可口的冰淇淋,而其他同学用冷水做的冰淇淋还没有结冰.他的这一发现并没有引起老师和同学们的注意,相反在为他们的笑料.姆佩巴把这特殊现象告诉了达累萨拉姆大学的物理学教授奥斯博尔内博士.奥斯博尔内听了姆佩巴的叙述后也感到有点惊奇,但他相信姆佩巴讲的一定是事实.尊重科学的奥斯博尔内又进行了实验,其结果也姆佩巴的叙述完全相符.这就确切地肯定了在低温环境中,热水比冷水结冰快.此后,世界上许多科学杂志载文介绍了这种自然现象,还将这种现象命名为"姆佩巴效应"(MpembaEffect).
二、姆佩巴效应的历史
热水比冷水更快结冰的事实已被知道了很多个世纪.最早提到并记载此一现象的数据,可追溯到公元前300年的亚里斯多德,他写道:
"先前被加热过的水,有助于它更快地结冰.因此当人们想去冷却热水,他们会先放它在太阳下..."
但在20世纪前,此现象只被视为民间传说.直到1969年,才由Mpemba再次在科学界提出.自此之后,很多实验证实了Mpemba效应的存在,但没有一个唯一的解释.
大约在1461年,物理学家GiovanniMarliani在一个关于物体怎样冷却的辩论上,说他已经证实了热水比冷水更快结冰.他说他用了四盎司沸水,和四盎司未加热过的水,分别放在两个小容器内,置于一个寒冷冬天的屋外,发现沸水首先结冰.但他没能力解释此一现象.
到了十七世纪初,此现象似乎成为一种常识.1620年培根写道"水轻微加热后,比冷水更容易结冰."不久之后,笛卡儿说"经验显示,放在火上一段时间的水,比其它水更快地结冰."
直至1969年,那已是Marliani实验500年之后,坦桑尼亚中学的一个命叫Mpemba的中学生再发现此现象的故事,被刊登在《新科家》(NewScientist)杂志.这个故事告诉科学家和老师们,不要忽视非科学家的观察,和不要过早下判断.
1963年,Mpemba正在学校造雪糕,他混合沸腾的牛奶和糖.本来,他应该先等牛奶冷却,之后再放入冰箱.但由于冰箱空间不足,他不等牛奶冷却,就直接放入去.结果令他很惊讶,他发现他的热牛奶竟然比其同学的更早凝固成冰.他问他的物理老师为什么,但老师说,他一定是和其它同学的雪糕混淆了,因为他的观察是不可能的.
当时Mpemba相信他老师的说法.但那一年后期,他遇见他的一个朋友,他那朋友在Tanga镇制造和售卖雪糕.他告诉Mpemba,当他制造雪糕时,他会放那些热液体入冰箱,令他们更快结冰.Mpemba发觉,在Tanga镇的其它雪糕销售者也有相同的实践经验.
后来,Mpemba学到牛顿冷却定律,它描述热的物体怎样变冷(在某些简化了的假设下).Mpemba问他的老师为什么热牛奶比冷牛奶先结冰.这位老师同样回答是一定Mpemba混淆了.当Mpemba继续争辩时,这位老师说:"所有我能够说的是,这是你Mpemba的物理,而不是普遍的物理."从那以后,这位老师和其它同学就用"那是Mpemba的数学"或"那是Mpemba的物理"来批评他的错误.但后来,当Mpemba在学校的生物实验室,尝试用热水和冷水做实验时,他再一次发现:热水首先结冰.
更早时,有一位物理教授Osborne博士访问Mpemba的那间中学.Mpemba问他这个问题.Osborne博士说他想不到任何解释,但他迟些会尝试做这个实验.当他回到他的实验室,便叫一个年轻的技术员去测试Mpemba的实验.这位技术员之后报告说,是热水首先结冰,又说:"但我们将会继续重复这个实验,直至得出正确的结果."然而,实验报告给出同样的结果.在1969年,Mpemba和Osborne报导他们的结果.
同一年,科学上很常见的巧合之一,Kell博士独立地写了一篇文章,是关于热水比冷水先结冰的.Kell显示,如果假设了水最初是透过蒸发冷却,和维持均匀的温度,这样,热水就会失去足的质量而首先结冰.Kell因此表明这种现象是真的(当时,这现象在加拿大城市是一个传闻.),而且能够用蒸发来解释.然而,他不知道Osborne的实验.Osborne测量那失去的质量,发现蒸发不足以解释此现象.后来的实验采用密封的容器,排除了蒸发的影响,仍然发现热水首先结冰.
三、对姆佩巴效应的各种解释
什么是Mpemba效应?有两个形状一样的杯,装着相同体积的水,唯一的分别是水的温度.现在将两杯水在相同的环境下冷却.在某些条件下,初温较高的水会先结冰,但并不是在任何情况下,都会这样.例如,99.9℃的热水和0.01℃的冷水,这样,冷水会先结冰.Mpemba效应并不是在任何的初始温度、容器形状、和冷却条件下,都可看到.
一般人会认为这似乎是不可能的,还有人会试图去证明它不可能.这种证明通常是这样的:30℃的水降温至结冰要花10分钟,70℃的水必须先花一段时间,降至30℃,然后再花10分钟降温至结冰.由于冷水必须做过的事,热水也必须做,所以热水结冰慢.这种证明有错吗?
这种证明错在,它暗中假设了水的结冰只受平均温度影响.但事实上,除了平均温度,其它因素也很重要.一杯初始温度均匀,70℃的水,冷却到平均温度为30℃的水,水已发生了改变,不同于那杯初始温度均匀,30℃的水.前者有较少质量,溶解气体和对流,造成温度分布不均.这些因素会改变冰箱内,容器周围的环境.下面会分别考虑这四个因素.
1.蒸发——在热水冷却到冷水的初温的过程中,热水由于蒸发会失去一部分水.质量较少,令水较容易冷却和结冰.这样热水就可能较冷水早结冰,但冰量较少.如果我们假设水只透过蒸发去失热,理论计算能显示蒸发能解释Mpemba效应.这个解释是可信的和很直觉的,蒸发的确是很重要的一个因素.然而,这不是唯一的机制.蒸发不能解释在一个封闭容器内做的实验,在封闭的容器,没有水蒸气能离开.很多科学家声称,单是蒸发,不足以解释他们所做的实验.
2.溶解气体——热水比冷水能够留住较少溶解气体,随着沸腾,大量气体会逃出水面.溶解气体会改变水的性质.或者令它较易形成对流(因而较易冷却),或减少单位质量的水结冰所需的热量,或者改变沸点.有一些实验支持这种解释,但没有理论计算的支持.
3.对流——由于冷却,水会形成对流,和不均匀的温度分布.温度上升,水的密度就会下降,所以水的表面比水底部热—叫"热顶".如果水主要透过表面失热,那么,"热顶"的水失热会比温度均匀的快.当热水冷却到冷水的初温时,它会有一热顶,因此与平均温度相同,但温度均匀的水相比,它的冷却速率会较快.虽然在实验中,能看到热顶和相关的对流,但对流能否解释Mpemba效应,仍是未知.
4.周围的事物——两杯水的最后的一个分别,与它们自己无关,而与它们周围的环境有关.初温较高的水可能会以复杂的方式,改变它周围的环境,从而影响到冷却过程.例如,如果这杯水是放在一层霜上面,霜的导热性能很差.热水可能会熔化这层霜,从而为自己创立了一个较好的冷却系统.明显地,这样的解释不够一般性,很多实验都不会将容器放在霜层上.
最后,过冷在此效应上,可能是重要的.过冷现象是水在低于0℃时才结冰的现象.有一个实验发现,热水比冷水较少会过冷.这意味着热水会先结冰,因为它在较高的温度下结冰.但这也不能完成解释Mpemba效应,因为我们仍需解释为什么热水较少会过冷.
在很多情况下,热水较冷水先结冰,但并不是在所有实验中都能观察到这种现象.而且,尽管有很多解释,但仍没有一种完美的解释.所以,姆佩巴效应仍然是一个谜
需要一些物理现象!最好是疑题什么的、比如说姆潘巴效应之类的...一定要可以让我做实验!我是要用来做实验的!这么说吧、我要
需要一些物理现象!
最好是疑题什么的、比如说姆潘巴效应之类的...
一定要可以让我做实验!我是要用来做实验的!
这么说吧、
我要写这个实验报告、是为了参加一个竞赛、所以最好再深入一点、有点做实验的价值、!
最好能够让我进行定量实验、!
如果好的话我会加分、!
影舞者老哥1年前3
我行我路12 共回答了13个问题 | 采纳率100%
小明吃烧烤时发现隔着烧烤炉看对面的景物有些晃动,猜想可能是因为烤炉上方的空气被加热后密度变小,从而使光产生折射.
实验用具:激光笔,酒精,火柴,盘子等
甚么是姆潘巴效应?
czhsnas21年前1
爱在海底 共回答了10个问题 | 采纳率90%
中学生姆潘巴的精心观察对权威的牛顿冷却定律提出挑战
我(姆潘巴)在坦桑尼亚的马干巴中学读三年级时,校中的孩子们做冰淇淋总是先煮沸牛奶,待到冷却后再倒入冰盘,放进电冰箱.为了争得电冰箱的最后一只冰盘,我决心冒着弄坏电冰箱的风险而把热牛奶放进去了.一个多小时以后,我们打开电冰箱,里面出现了惊人的奇迹:我的冰盘里的热牛奶已结成坚硬的冰块,而他们的冰里还是稠稠的液体.我飞快地跑去问物理老师,他淡淡地回答说:“这样的事一定不会发生.”
进入高中后,在学习牛顿冷却定律时,我又问物理老师,他同样轻率地否定了我的观察.我继续述说我的理由,可老师不愿意听,在一旁的同学们也帮着老师质问我:“你究竟相不相信牛顿冷却定律?”我只好为自己辩“可定律与我观察的事实不符嘛!”在同学们的讪笑声中,老师带着无可奈何的神情说道:“你说的这些就叫做姆潘巴的物理吧!”从此以后,“姆潘巴的物理”便成了我的绰号,只要我做错一点,同学们就马上说“这是姆潘巴的什么…….”尽管如此,我仍然坚信我的观察是正确的,其中可能包含着更为深刻的道理.
就在这一年,坦桑尼亚最高学府达累斯萨拉姆大学物理系系主任奥斯波恩博士来我校访问,我决心求助于博士,我向他讲述了我的奇遇.他先是笑了一下,然后认真地听取了我的复述,博士回校后亲自动手并观察到了同一事实.他高度评价了我的观察,他说:“姆潘巴的观察,事实上提出了权威物理学家可能遇到的危险,同时也对物理教师提出了一个感兴趣的问题.”
博士邀请我联名发表一篇论文,登载于《英国教育》,对热牛奶在电冰箱中先行冻结的现象作了介绍和解释.其主要内容是:
1.把牛奶换成水以后再进行观察,发现电冰箱中的热水仍在冷水之前冻结成冰.
2.把热水放入电冰箱冷却时,水的上表面(S)与底部(B)之间存在着显著的温度差.缓慢冷却时的温度差几乎是观察不到的.图1-1是初始温度分别为70℃(实线)和47℃(虚线)的水的S-B温度差随时间变化的观测记录图.从图中可看出,初始时,上表面与底部不存在温度差,但一经急剧冷却,温度差就立即出现,其中初温为70℃的水内产生的最高温度差接近14℃,而初温为47℃的水内产生的最高温度差只有10℃左右,这就是我们所观察到的冷、热水在急剧冷却时的重大差别.

在以上定量观测的基础上,我们对热牛奶(或热水)先冻结的现象作出如下解释:
1.冷却的快慢不是由液体的平均温度决定的,而是由液体上表面与底部的温度差决定的,热牛奶急剧冷却时,这种温度差较大,而且在整个冻结前的降温过程中,热牛奶的温度差一直大于冷牛奶的温度差.
2.上表面的温度愈高,从上表面散发的热量就愈多,因而降温就愈快.
基于以上两方面的理由,热牛奶以更高的速度冷却着,这便是热牛奶先冻结的秘密.
除了作出热牛奶先冻结的解释外,我们还大胆地类推出一个有趣的“猜想”:在发生严重冰冻的日子里,热水管应该先于冷水管发生冻结,是不是这样呢?由于我们生活在赤道附近的坦桑尼亚,这里气候四季炎热,难以观察到这十分有趣的现象,欢迎能观察到这一现象的中学朋友们,为我们提供信息,共同讨论.
自从我们的文章发表后,世界上很多科学杂志都刊登了这一自然现象,认为这是对牛顿冷却定律的严峻挑战.而且还以我的名字把这一自然现象命名为“姆潘巴效应”.