- 陶小凡
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在许多版本的《十万个为什么》里都会提到同一个带有传奇色彩的故事:1963年,坦桑尼亚的一位初三学生在制作冰淇淋时意外发现,热牛奶比冷牛奶先结冰。这个奇怪的现象后来以这位学生的名字命名“姆潘巴”。42年后,3位上海的女中学生在老师指导下向同龄人姆潘巴发起了挑战。
一拍即合 师生课题组诞生
叶莎莎、庾顺禧和董佳雯都是从《十万个为什么》中第一次认识姆潘巴的,当时她们还在读小学。“感觉姆潘巴现象很难解释,但却从来没有怀疑过。因为小时候总认为书上写的都不会错。”这位曾获得过世界工程师大会未来工程师论坛第二名、来自向明中学高三的叶莎莎笑着回忆起了童年。
向明中学高二年级的庾顺禧同样也是多年的科创高手,在去年的上海市第五届中学生科学课题研究评比中,她个人有3件作品获奖。其中的多种脚控式自翻乐谱架和便携式家用电器安全电压检测器都受到了广泛好评。去年参加比赛的过程中,小庾无意间看到了其他同学做的姆潘巴研究,“当时很受启发,也很感兴趣,心里就有些蠢蠢欲动了。”
高二女生董佳雯目前就读于上海中学。她从小就是个生活中的有心人。看奥运会击剑比赛,见到中国选手多次受到裁判的不公正待遇,不平之余,她想到去改进击剑裁判的积分系统;数码照相机因误操作丢失了不少珍贵照片,顿足之后,她想为数码照相机设计一个“回收站”,便于“亡羊补牢”。
向明中学的科技指导老师黄曾新对姆潘巴现象关注已久,在一次课外课题研究过程中,他与学生聊起了姆潘巴,当时就引起了叶莎莎、庾顺禧和董佳雯的强烈兴趣。为了解决同一个世界性难题,4位师生“一拍即合”,课题组在去年11月初宣告诞生。
双管齐下 设备资料均备齐
“兵马未动,粮草先行”,3位女生通过查阅网上资料,选择了课题实验用的一些必需设备。向明中学领导得知这个课题后给予了全力支持,价值不菲的12点自动温度记录仪、带有温度显示的无霜电冰箱、温度传感器和电子天平秤等设备都在第一时间全部到位,学校为此共耗资6000余元。
通过互联网,她们查阅了大量的资料,没有发现权威的解释。尤其令人不解的是,几乎每年都有人撰写论文研究姆潘巴现象,但没有人进行定量分析,都缺乏令人信服的科学实验数据,也没有强有力的理论依据。随后,3位同学分头尝试用家用冰箱做实验,结果令人兴奋:热水和冷水几乎同时结冰??没有出现姆潘巴现象。初次实验的结果使她们产生深入研究姆潘巴现象的欲望。
设备和资料的准备工作双管齐下后,终于万事俱备、只等“开工”了。
三色“神”杯 制作实验全靠它
“三色杯”,一种普通的冰淇淋。炎夏的消暑良方在寒冬里找到了用武之地,发挥出了“一杯三用”的“神”效。
第一用,做实验容器。走进工作室,好几只空的“三色杯”零乱地散落在桌子上,显眼的同时还散发出淡淡的奶香。“这几个月里每天都和‘三色杯"打交道,估计以后再也吃不下了。”叶莎莎说。除了体积略显庞大的“三色杯”外,小一号的冰淇淋杯子也很受欢迎。
第二用,做液体原料。因为姆潘巴是在做冰淇淋的时候发现问题的。为了充分接近当时的操作条件,用冰淇淋来做实验理所当然。但谁也没做过冰淇淋,需要哪些原材料呢?最简单的办法就是买来现成的冰淇淋,等它融化之后就能循环利用了。价钱实惠的“三色杯”便“脱颖而出”。
第三用,突破瓶颈。课题在进行到一半时遭遇瓶颈。虽然实验表明是否加糖和加糖后是否搅拌都会对液体冰点产生影响,从而改变其结冰速度。但糖对液体结冰的干扰程度还不够明显,直到“淀粉”这个重要变量的出现。发现淀粉也多亏了“三色杯”。由于同样温度同样重量的冰淇淋总比纯牛奶先结冰,这就引发了3位同学的思考。偶然的机会,她们在“三色杯”的配料说明中看到了“淀粉”,试了以后茅塞顿开:原来正是淀粉的存在大大加快了液体结冰的速度。
四人攻关 探寻为何先结冰
3位同学的大半个寒假都是在实验室与黄曾新老师共同度过的。超过100次的实验最终换来的是上万个宝贵的数据。开学前,实验阶段结束,课题组迎来更为枯燥的数据分析阶段。
虽然有先进的自动化仪器相助,但万千数据的整理、分析和总结还是颇为麻烦。暂且不论课题组精心绘制11张分析示意图花费了多少时间,只需节选论文的“数据记录分析”部分,其繁琐程度就可见一斑:冷、热纯牛奶对比;冷、热含糖牛奶对比;冷、热无糖、无淀粉牛奶对比;冷、热含糖、含淀粉牛奶对比;冷、热纯水对比;冷、热糖水对比;冷、热盐水对比;冷的纯水与纯牛奶对比;有糖冷、热淀粉与无糖冷、热淀粉对比……
严密的分析之后,结论水到渠成:同质同量同外部温度环境的情况下,姆潘巴现象不会出现,不可能热的液体先结冰。
此外,课题组还分析了姆潘巴现象之所以产生的3种可能情况:
冰箱温度并不均匀,如果姆潘巴将其冰盒正巧放在冷却管附近,甚至与冷却管相接触,完全有可能热牛奶比冷牛奶先结冰;
如果姆潘巴不喜欢吃甜,在冰淇淋中少放了糖,或者因为匆忙没来得及搅拌、糖粒沉在盒底形成固体,实验证明可先结冰;
姆潘巴自制的冰淇淋中不仅牛奶加糖,还加入了淀粉类物质,在其少放糖、少放牛奶时会先结冰。
共同愿望 想与姆潘巴联系
“希望我们这个课题研究结束后,姆潘巴现象可以不用再讨论了。”57岁的黄曾新老师豪言万丈。如果课题组的结论能得到专家的认可,那就意味着围绕姆潘巴现象长达42年的争论即告停止,这无疑是对黄老师和他3位得意门生的最好回报。
上海市第20届青少年科技创新大赛即将在本月拉开帷幕,凭借这个研究成果在比赛中力拔头筹是黄老师近期的另一个心愿。“我们的目标是要代表上海参加全国比赛,并且能进一步走向世界。目前看来很有希望。”黄老师的信心并非空穴来风,据他介绍,近几年有3篇关于姆潘巴现象的论文获得了上海乃至全国的大奖。“与获得上届全国科创大赛一等奖的文章相比,无论从研究方法、实验数据、最终结论等任何一个方面,我们的论文都要领先一步。”
“参加比赛当然想赢,那也是对自己实力的证明。就算成绩不够理想,我也没有遗憾。因为通过课题的研究,我在动手能力、思维水平、团队精神等多方面都有所提高,这些对我们今后迈向社会都是很有帮助的。”
3位同学还表达了一个共同的心愿:“如果有机会,想和姆潘巴本人取得联系,我们来共同做一次实验。”
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姆潘巴现象的由来
1963年,坦桑尼亚的马干巴中学三年级的学生姆潘巴经常与同学们一起做冰淇淋吃。他们总是先把生牛奶煮沸,加入糖,等冷却后倒入冰格中放进冰箱冷冻。有一天,当姆潘巴做冰淇淋时,冰箱冷冻室内放冰格的空位已经所剩无几,一位同学为了抢在他前面,竟把生牛奶放入糖后立即放在冰格中送进了冰箱。姆潘巴只得急急忙忙把牛奶煮沸,放入糖,等不及冷却,立即把滚烫的牛奶倒入冰格送入冰箱。一个半小时后,姆潘巴发现热牛奶已经结成冰,而冷牛奶还是很稠的液体。
他去请教物理老师,为什么热牛奶反而比冷牛奶先冻结?老师的回答是:“你一定弄错了,这不可能。”后来,姆潘巴进高中后又向物理老师请教,得到的回答仍是:“你肯定错了。”当他继续与老师辩论时,老师讥讽他:“这是姆潘巴的物理问题。”一个极好的机会终于来到了,达累斯萨拉姆大学物理系主任奥斯玻恩博士访问该校,姆潘巴鼓足勇气向他提出问题:如果取两个相似的容器,放入等容积的水,一个处于35℃,另一个处于100℃,把放进冰箱,100℃的水却先结冰,为什么?奥斯玻恩博士的回答是:“我不知道,不过我保证在我回到达累斯萨拉姆之后亲自做这个实验。”结果,博士的实验和姆潘巴说的一样。
疑点:也许姆潘巴本人因为自己口味跟别人不一,在牛奶中加了糖或淀粉,产生了该现象。但是,博士的实验也凭自己口味吗?他的两杯牛奶也不一样吗?我想不会。
这一研究,只是证明了不同牛奶的结果,逃避了相同牛奶的实事。
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结论:
冷却主要取决于液体表面;
冷却速率决定于液体表面的温度而不是它整体的平均温度;
液体内部的对流使液面温度维持得比体内温度高(假定温度高于4℃);
即使两杯液体冷却到相同的平均温度,原来热的系统其热量仍要比原来冷的系统损失得多;
液体在冻结之前必然经过一系列的过渡温度,所以用单一的温度来描述系统的状态显然是不够的,还要取决于初始条件的温度梯度。
奥斯玻恩博士虽然没有最终解决姆潘巴的物理问题,但面对科学和事实,他给了小姆潘巴和我们一份科学求实的答卷。
4. 问题远比想象的要复杂
后来许多人也在这方面做了大量的实验和研究,人们发现,这个看来似乎简单的问题实际上要比我们的设想复杂得多,它不但涉及到物理上的原因,而且还涉及到作为结晶中心的微生物的作用,是一个地地道道的“多变量问题”。
(1). 物理原因
从物理方面来说,致冷有四种并存的机制:辐射、传导、汽化、对流。通过实验观察并对结果进行比较,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效果。如果把热水和冷水结冰的过程叙述出来并分析其原因就更能说明问题了:
盛有初温4℃冷水的杯,结冰要很长时间,因为水和玻璃都是热传导不良的材料,液体内部的热量很难依靠传导而有效地传递到表面。杯子里的水由于温度下降,体积膨胀,密度变小,集结在表面。所以水在表面处最先结冰,其次是向底部和四周延伸,进而形成了一个密闭的“冰壳”。这时,内层的水与外界的空气隔绝,只能依靠传导和辐射来散热,所以冷却的速率很小,阻止或延缓了内层水温继续下降的正常进行。另外由于水结冰时体积要膨胀,已经形成的“冰壳”也对进一步结冰起着某种约束或抑制作用。
盛有初温100℃热水的杯,冷冻的时间相对来说要少得多,看到的现象是表面的冰层总不能连成冰盖,看不到“冰壳”形成的现象,只是沿冰水的界面向液体内生长出针状的冰晶(在初温低于12℃时,看不到这种现象)。随着时间的流逝,冰晶由细变粗,这是因为初温高的热水,上层水冷却后密度变大向下流动,形成了液体内部的对流,使水分子围绕着各自的“结晶中心”结成冰。初温越高,这种对流越剧烈,能量的损耗也越大,正是这种对流,使上层的水不易结成冰盖。由于热传递和相变潜热,在单位时间内的内能损耗较大,冷却速率较大。当水面温度降到0℃以下并有足够的低温时,水面就开始出现冰晶。初温较高的水,生长冰晶的速度较大,这是由于冰盖未形成和对流剧烈的缘故,最后可以观察到冰盖还是形成了,冷却速率变小了一些,但由于水内部冰晶已经生长而且粗大,具有较大的表面能,冰晶的生长速率与单位表面能成正比,所以生长速度仍然要比初温低的水快得多。
(2). 生物原因
同雨滴的形成需要“凝结核”一样,水要结成冰,需要水中有许许多多的“结晶中心”。生物实验发现,水中的微生物往往是结晶中心。某些微生物在热水(水温在100℃以下一点)中繁殖比冷水中快,这样一来,热水中的“结晶中心”就要比冷水中的“结晶中心”多得多,加速了热水结冰的协同作用:
围绕“结晶中心”生长出子晶,子晶是外延结晶的晶核。对流又使各种取向的分子流过子晶,依靠晶体表面的分子力,抓住合适取向的水分子,外延生长出分子作有序排列的许多晶粒,悬浮在水中。结晶释放的能量则通过对流放出,而各相邻的冰粒又连结成冰,直到水全部冻结为止。
以上是科学家对观察到的现象进行综合分析所得出的一些结论和提出的一些解释。但要真正解开“姆潘巴问题”的谜,对其做出全面定量而令人满意的结论,还有待于进一步的探索。现在有的学者提出用高锰酸钾作液体示踪剂,用双层通电玻璃观察窗来进一步观察,有兴趣的读者不妨一试,或许揭开这个历时二十多年奥秘的人将是你。
一个物理学大师对三名高中女生破解姆潘巴现象的理解
7月上旬CCTV-10《走进科学》栏目播出了一期“破解姆潘巴”的节目,节目中讲述了一位上海某学校的老师和三位同学设计并做了大量实验否定了历史上著名的姆潘巴现象的客观存在性。
那么为什么同一个实验过程国内、国外却得出了两个完全相反的结论呢?比较一下两个实验过程我们不难发现,虽然那位老师和三位同学采用最先进的多点自动测温记录仪并对测试的多种不同液体、多因素分析对比、量化,从他们的实验现象上看好像无懈可击、没有任何漏洞,但是熟悉姆潘巴实验过程的人就会发现国内、国外二者的实验过程当中存在着本质上的区别,及上海那位老师和三位同学所做的实验名义上是在重复姆潘巴实验现象,其实其实验过程根本不是姆潘巴原来或者原意上的实验,相比较姆潘巴原来或者原意上的实验国内上海的那位老师和三位同学所做的实验中却存在着一个非常重大的失误和错误!及实验设计思路和原理当中缺少、遗漏了最最重要的一个必不可缺少的环节和条件!!!
是一个什么样的条件和环节竟然因为它的存在与否竟然可以得到完全相反的两个结果和结论呢?下面我们得朔溯本追源看看姆潘巴现象最原始的纪录和记载。
查阅科学史资料可以清晰可见,历史上所谓的姆潘巴现象并不是起始于姆潘巴本人,最早可能是起始于亚里斯多德。书中是这样记载:“先前被加热过的水,有助于它更快地结冰。”这句话的原意本来是指曾经被加热过但是后来又被自然或者人为冷却后的“水”(生活中我们一般称之为“凉开水”或者“熟水”)较之没有被加热过的“水”(我们一般称之为“鲜凉水”或者“生水”)在时间上更易快捷的结冰上冻及早结冰,由于表述上的不清楚和人们理解上的差异,有人把亚里斯多德书中记载的“先前被加热过的水”理解成高于一般常温的热水(如70-80度的准开水),这样一来就彻底的违背了亚里斯多德和姆潘巴本人的实验意图,所以也就根本不可能出现所谓的姆潘巴现象。上海那位老师和三位同学所做的实验就属于误解了“姆潘巴实验”中的热水的含义,错将准开水液体(70-80度)和凉水液体做比较,所以也就得出了相反的结论,也就不足为怪了。
知道了此“加热过的热水”不是彼70-80度的准开水这个概念上的本质区别,那么如果我们在其它相同条件及同质、同量同温下,而唯一区别的就是一个是从未被加热过(最好就是刚从地下抽上来的鲜凉水及生水)、一个是曾经被加热过(此水可烧开也可不烧开,最好在此之前刚刚被加热过又被自然或者人为的冷却过的凉开水)共同、同时冷却,这时所谓的姆潘巴现象就自然而然的出现了。
上海的那位老师和那几位同学虽然实验设计的非常周密和详尽,但是单单却忽略了这个本质性的核心问题,所以也就造成了一个相反的、错误性的结论及姆潘巴现象不存在!!!!
姆潘巴现象是存在的!!!上海那位老师和三位同学之所以实验失败是错误的理解了姆潘巴实验的设计思路和实验原理,故此也就得出了姆潘巴现象不存在的错误结论。
- Chen
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坦桑尼亚中学生姆潘巴在1963年偶然发现,热牛奶倒入冰格一个半小时后会冻结,而先放入的冷牛奶还是很稠的液体,没有冻结。后经达累斯萨拉姆大学物理系主任奥斯波恩博士实验证明,姆潘巴发现的现象属实。四十多年来,许多论文与实验试图阐明这个现象背后的原理,但由于缺乏科学实验数据以及定量分析,至今没有定论。
去年11月起,在向明中学科技名师黄曾新的指导下,上海市3名女中学生——向明中学的庾顺禧、叶莎莎和上海中学的董佳雯,开始研究姆潘巴现象。4个月来,她们利用糖、清水、牛奶、淀粉、冰淇淋等多种材料,采用先进的多点自动测温记录仪,在记录了上万个数据后进行多因素分析,最后得出结论:在同质同量同外部温度环境的情况下,热液体比冷液体先结冰是不可能的,并提出了引起误解的三种可能。她们认为,只有当冰箱有温差、牛奶含糖量不同或糖没有溶解、含有较多淀粉等非液体成分时,姆潘巴现象才有可能发生。
- 以心消业
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我这样人为,热的牛奶与环境稳差大,热量转移速度快,在快速降温过程中先形成凝核,真是这个原因导致它先结冰.而稳差小的热传递慢,传递动力小.
- 康康map
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姆潘巴是坦桑尼亚的一个中学生
他发现了一个著名的物理现象
热牛奶比冷牛奶先结冰
现在已经证明这个现象是错误的
- Mugen-Hive
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