作业帮为什么热水和冷水放在冰箱里,先结冰的是热水?
来源：学生作业帮助网 编辑：作业帮 时间：2024/11/03 01:22:46
为什么热水和冷水放在冰箱里,先结冰的是热水?
为什么热水和冷水放在冰箱里,先结冰的是热水?
为什么热水和冷水放在冰箱里,先结冰的是热水?
姆潘巴现象
科学的原理起源于实验的世界和观察的领域,观察是第一步,没有观察就不会有接踵而来的前进.
——门捷列夫（俄）
一、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”.这真叫人不好意思呀!
二、反思
中学生姆潘巴观察到的现象,可能好多人都遇到过,但是为什么会发生姆潘巴的同学不相信,老师不相信,甚至连物理学博士听后也还是“先笑了一下”呢?他们可能是这样思考的：
冷牛奶从初温开妈到冻结所需时间为t1,热牛奶冷却到初温所需时间t2,则热牛奶从初温开始到冻结所需的全部时间为t1+t2.
显然有（t1+t2）>t1.
由上式可以推导出如下结论：热牛奶先冻结的现象不可能发生.
如果发生了热牛奶先冻结的现象,则必然导出（t1+t2）