CN1828693A - 研究姆潘巴问题的实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种实验装置技术领域,具体涉及一种研究姆潘巴问题的实验装置及其方法。该实验装置主要包括下列设备:速冻冰箱(1)、多点自动温度记录仪(2)及测温探头(3);其中,所述的多点自动温度记录仪(2)同多个测温探头(3)相连,将所述的测温探头(3)放入速冻冰箱(1)内部的各个部位进行研究。本发明从各种因素对姆潘巴现象的影响以及用多点自动记录温度计分别测量容器中从边缘到中心各处温度变化情况分析后导出姆潘巴现象的根本原因,以及从冰箱的温度不均匀性,流动性对姆潘巴现象引起的干扰进行全面分析,从而争取从根本上彻底解决这一世界性的存在争议的重大课题。

Description

研究姆潘巴问题的实验装置及方法
技术领域
本发明涉及一种实验装置技术领域,具体涉及一种研究姆潘巴问题的实验装置及其方法。
背景技术
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,他们总是先把鲜牛奶煮沸,加入糖,等冷却后倒入冰格中放进冰箱的冷冻室内冷冻。因为学校里做冰淇淋的同学多,所以冷冻室内放冰格的位置一直比较紧张。有一天,当姆潘巴做冰淇淋时,冰箱冷冻室内放进了冰格的空位已经所剩无几了,一位同学为了抢在他的前面,竟把鲜牛奶放入糖后立即放在冰格中关进了冰箱的冷冻室,姆潘巴只得急急忙忙把牛奶煮沸,放入糖,等不得冷却,立即把滚烫的牛奶倒入冰格里,送入冰箱的冷冻室内,过了一个半小时后,姆潘巴发现他的热牛奶已经结成了冰而其他同学的冷牛奶还是很稠的液体,没有冻结,这个现象使姆潘巴惊愕不已!
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,这样的事是不可能发生的”。后来姆潘巴进了伊林加的姆克瓦高中,他向物理老师请教:“为什么热牛奶和冷牛奶同时放进冰箱,热牛奶先冻结?”老师的回答是:“我所能给你的回答是:你肯定弄错了。”当他继续提出问题与老师辨论时,老师讥讽他:“这是姆潘巴的物理问题。”姆潘巴想不通,但又敢顶撞老师。一个极好的机会终于来了,达累斯萨拉姆大学物理大学物理系主任奥斯波恩博士访问该校,作完学术报告后回答同学的问题。姆潘巴鼓足勇气向他提出问题:如果你取两个相似容器,放入等容积的水,一个处于35℃,另一个处于100℃,把它们同时放入冰箱,100℃的水先结冰,为什么?奥斯波恩博士的回答是:“我不知道,不过保证在回到达累斯萨拉姆之后亲自做这个实验。”结果他和他的助手做了这个实验,证明姆潘巴说的现象属实!这究竟是怎么一回事呢?
姆潘巴问题是一个在物理界路人皆知的课题,已有多人撰文研究,然而都不透彻,由于缺乏科学的实验手段与实验数据,因而说服力不强,至今没有找出根本原因,没有定论。
发明内容
科技发展到今天,生活中还有不少简单的问题仍是科学领域里的未知数。“热牛奶更易冷却”虽然与常理相悖,但却是实际存在的现象。几十年来,人们为它而争论不休,但却始终没有全面定量的令人满意的结论。所以我们打算使用科学的实验仪器,对液体的冷却过程做一个详细的测量并记录有关数据,希望从中获得有用的结论和启发。
本发明从牛奶的粘度,冷却速率,容器容积大小,冰箱等因素对姆潘巴现象的影响以及用多点自动记录温度计分别测量容器中从边缘到中心各处温度变化情况分析后导出姆潘巴现象的根本原因,以及从冰箱的温度不均匀性,流动性对姆潘巴现象引起的干扰进行全面分析,从而争取从根本上彻底解决这一世界性的存在争议的重大课题。
姆潘巴问题已引起了许多人的关注,在发明之前已有很多人做过相关实验并发表了许多论文来论述他们对这一现象的观点。我们收集了一些有关的资料,并进行整理。其中有几种解释还是具有一些说服力的。
发表在1969年英国《物理教师》杂志上的由姆潘巴和斯波恩两个撰写的一篇文章中作了第一次尝试性解释,他们的结论是:冷却主要在于液体表面,冷却速率决定于液体表面的温度而不是它的整体的平均温度,液体内部的对流使得液面维持的温度比液体内温度高,即使两杯液体冷却到相同的平均温度,原来热的系统的热量损失仍要比原来冷的系统来得多,液体在结冰之前必须经过一系列的过渡温度,所以用单一的温度来描述系统显然是不够的,还要取决于初始条件的温度梯度。
另一种是物质运动惯性来解释的:一个价和电子的运动惯性是微不足道的,但是整体物质的价和电子的运动惯性却是不可忽视的。大家知道0℃的水与0℃的冰并存,把冷水缓慢地降温到0℃,水还是水,并不结冰,即水的价和电子仍然维持着原来的运动方式。把冷水缓慢降温到0℃以下,当水开始了结冰,再回到0℃,这时的水会都结成冰。这就是说水经过冷却之后,尽管是部分价和电子的运转由立交进入平面,然而这种运动方式一旦开始,所有的价和电子都将按这个趋势进入新的运动状态。在水中,分子之间的结构元是成链、成团,时接时分的。温度降低时,水分子的二个价和电子运转由立交的扭转,转变成二个平面运转,结构元之间电磁力方向由紊乱变得稳定,结构元连成连续稳固的架体结构,水就结成冰。置于冰箱中的冷水与外界温差较小,核外电子向外界轻微地辐射出电磁波,同时缓慢地降低自身的价和运转速率。因为温差不大,这种辐射和降温一般在物质的表面,整体物质降温还有一个从内向向外的传递过程,需较长时间才能使整体的价和电子的运转由立交逐步地归顺到在序的平面运转,使水结冰。而冰箱中的热水与外界温差大,降温幅度很大,物质表面和内部的核外电子向外界迅速地辐射出电磁波,很快地降低自身的价和运转速率,有序的电磁力使得周围扭动的电磁力迅速归顺,较快地形成固定对位的连续架体,热水也就较快地结成了冰。
虽然两种解释都很有道理,但都缺乏有力的数据来证明,所以需要实验数据来进一步证明。近几年全国有不少中学对姆潘巴问题进行研究,我们认为都因实验设计不够周全,不够合理,没从多因素进行分析,实验数据不够充分,因而不甚满意。
本发明提供的一种研究姆潘巴问题的实验装置主要包括下列设备:速冻冰箱、多点自动记录仪及测温探头。
本发明提供的一种研究姆潘巴问题的实验装置及方法从以下几个方面进行实验。
1、从牛奶的粘度变化分析在何种情况下对姆潘巴现象影响最大
从资料分析由于该现象是用鲜牛奶加糖制冰淇淋,其中涉及到放入糖的多少,与是否拌均,这对冷冻速率有直接影响,所以我们先从该处着手。
实验资料:冰箱、鲜牛奶、纯水、糖、0.3升容器数只。
实验步骤:分别将纯牛奶、50%牛奶+50%纯水、0.3升牛奶+10克糖、0.3升牛奶+20克糖、0.3升牛奶+50克糖、0.3升牛奶+100克糖、0.3升牛奶+200克糖,从40℃开始冰冻与从90℃开始冰冻,进行比较。
2、从牛奶容器大小进行分析:
看是否有可能在某一容积牛奶中姆潘巴现象最明显,将上述实验结果明显的材料配比,再分别放在0.1升、0.2升、0.3升、0.4升、0.5升、0.8升、1升容器内进行冷热比较,看哪一种姆潘巴现象明显。
3、从牛奶容器外界温度进行分析:
看是否因冰箱的冰冻温度与姆潘巴现象有关,我们将冰箱的冰冻温度调节到-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-30℃、-40℃,从上述材料方法进行冷热对比,看哪一种情况姆潘巴效果最明显。
4、测量容器中离中心点不同处的冷却温度:
如果我们用仪器测出容器中离中心不同处的冷却过程变化,可知道它们的每个地方与第一个时刻的冷却速率,就可以知道形成姆潘巴现象的关键所在。
测试方法:将测温计几十个安装渐开线方式放在一个不锈钢锅内,按每分钟记录一次,看每点的温度变化并且列入表格和图像,一是看在哪一个时间段温度变化值最大,二是看在哪一个区域温度变化最大。
将上述实验大量数据进行分析对比,看姆潘巴现象是否存在,形成姆潘巴现象的主要因素是什么。
5、冰箱温度的不均匀性与气体流动性对形成姆潘巴现象的影响
我们认为由于一般冷冻冰箱内没有强迫循环风扇,气体流动是不均匀的,对流传热不畅,而靠接触传导传递热量速度很慢,会造成冰箱内各点温度值相差极大,这样完全有可能热牛奶反而先结冰,这就说明了姆潘巴现象根本是一个几十年的误解,所以我们用实验进行分析。
(1)我们先测量出在冷冻室内不存放食物时各点温差,找出最大值。
(2)我们再测量出在冷冻室内存放50%食物时各点温差,找出最大值。
(3)我们先测量出在冷冻室内存放100%食物时各点温差,找出最大值。
(4)我们先测量出在冷冻室内存放50%食物再用风扇将气体流动时各点温差,找出最大值。
6、数据分析
对测得的各种数据进行分析研究,找出关键性的变化规律,由此得出形成姆潘巴现象的实质。
7、结论
有两种可能:
1、一种是姆潘巴现象确实存在,主要原因在于当液体冷却到一定温度时变稠不能流动,从而不能形成用对流方式传递热量,主要靠传导方式传递热量,其热传递性极差,形成冷却速度大下降,而热的牛奶在快速冷却时在边缘部分液体速冷已结成晶核,结成冰粒,而内部液体却处在高温状态,处于液体状态,在冰粒与水的混合状态可以流动,使容器表面与内部温度相同反而易结冰所致。
2、另一种可能是在同样外界条件下,不可能形成姆潘巴现象,而仅仅是放糖的多少没搅拌均匀,仅姆潘巴这瓶牛奶比其他同学稀薄,流动性好冷却快所致。也有可能是冰箱内牛奶多,空气流动不畅形成冰箱温度不均匀,姆潘巴的一瓶牛奶比其他同学的牛奶更靠近冷却管处温度低所致。
总之,无论是哪一种结果,我们都能因为做的实验方法更新,数据更多,分析更透彻,都能得出对姆潘巴问题有极大影响的结论。
下面,结合附图和实施例详细说明依据本发明提出的具体装置和方法的细节及工作情况。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明提供的测温探头的布置分布图。
具体实施方式
如附图1-2所示,本发明提供的一种研究姆潘巴问题的实验装置主要包括下列设备:速冻冰箱1、多点自动温度记录仪2及测温探头3。其中,所述的多点自动温度记录仪2同多个测温探头3相连,将所述的测温探头3放入速冻冰箱1内部的各个部位进行研究。本发明将多个所述的测温探头3安装放置呈渐开线方式。
本发明实施例提供的速冻冰箱1采购了一台先进的有数字显示温度的SHARP(夏普)BCD-202BYL,200立升立式二门电冰箱,有自动除霜功能,有较好温度均匀性,最大制冷温度可达-21℃。
本发明实施例提供的多点自动温度记录仪2采购了一台先进的长图形12点自动温度记录仪,可测-50℃-100℃,精确达1级。
本发明实施例提供的测温探头3采用有利于测低温的W2P-203T铂电阻。精确达0.1级。
一种应用上述研究姆潘巴问题的实验装置进行研究的方法
(一)实验材料及方法
对纯水、自来水、纯牛奶、含糖牛奶、含淀粉牛奶、含糖含淀粉牛奶的100℃与35℃对比。
(二)用实验分析是否有其他因素造成姆潘巴现象
1.是否由于局部结冰。
2.是否由于冰箱温度不均匀。
3.是否由于材料不同。
4.是否由于糖的多少与没搅拌均匀,即糖在姆潘巴中的作用。
5.是否由于材料多少。
6.淀粉在姆潘巴问题中的作用。
7.冷却速率对姆潘巴问题的作用。
(三)实验过程
实验一测空载时冰箱上下格各点温度差
将12个测温头分别放在冷冻室三格中各点,测出温度如附图1所示。
时间:2005.2.7  19点-23点
从附图1分析可知:
(1)空载时从5℃室温降至-22℃,各点温差要相差8℃-10℃,由于空气对流小,这对测量会造成误差。
(2)空载时由于电冰箱是除霜式,是断续加热,所以各处有8℃-10℃上下误差。
(3)温度在10℃-25℃之间,可以进行实验。
解决办法:
(1)在冰箱内放一电扇强迫循环。
(2)在冰箱内存放大量瓶装纯水,并且使冰箱开至-20℃时实验,可加快速冻速率。
实验二  用12盒“三色冰淇淋”杯盛水从90℃开始冰冻实验
将12个测温头放在12盒“三色冰淇淋”杯中并盛90℃开水,测出各点温度变化,如附图2所示。
时间2005.2.8  19点-23点
从附图2分析可知:
(1)不用风扇,每杯温差大。
(2)由于12杯水热量多,冰箱来不及制冷。
解决方法:
(1)用风叶吹。
(2)用大量冰杯先制冷至-20℃可加快冷却速率。
(3)用小杯与一二个杯对照。
实验三  用风扇使空气对流加快实验
冰箱中用风扇吹风,减小冰箱中各点的温度差,再实施实验二中实验过程,实验数据如附图3所示。
时间2005.2.9  19点-23点
从附图3分析可知:
(1)冰箱内各杯温度均匀性极好,不小于5℃,但大量时间停留在0℃,这说明冰在0℃-4℃时会吸收大量热量。
解决方法:
减少实验冰杯数量。
实验四  用加糖牛奶从90℃与从30℃同材料结冰实验
在用风叶吹风,将二个三色杯加糖牛奶从90℃降温与4个30℃加糖牛奶对比
时间2005.2.10  18点
从附图4分析可知:
(1)从90℃加糖牛奶降到0℃要1.5小时,而且所有杯同步。
(2)从0℃下降到-10℃需4小时,时间太长。
解决方法:
(1)减少实验杯数。
(2)用风扇吹。
(四)分析与结论
1.纯水、自来水、纯牛奶、含糖牛奶等在同样材料的容器内,在温度不同情况下均同时结冰,没有姆潘巴现象发生。这是由于水分在液固相互间变化时,液体固化会吸收大量热能所致。
2.如果以表面局部结冰作为结果,有可能糖度高的样品先结冰。
3.含糖量高的样品其冰点低(-20℃)所以与水(0℃)结冰时间相同。
本发明提供的一种研究姆潘巴问题的实验装置及方法从以下几个方面进行实验。
1、从牛奶的粘度变化分析在何种情况下对姆潘巴现象影响最大
从资料分析由于该现象是用鲜牛奶加糖制冰淇淋,其中涉及到放入糖的多少,与是否拌均,这对冷冻速率有直接影响,所以我们先从该处着手。
实验资料:冰箱、鲜牛奶、纯水、糖、0.3升容器数只。
实验步骤:分别将纯牛奶、50%牛奶+50%纯水、0.3升牛奶+10克糖、0.3升牛奶+20克糖、0.3升牛奶+50克糖、0.3升牛奶+100克糖、0.3升牛奶+200克糖,从40℃开始冰冻与从90℃开始冰冻,进行比较。
2、从牛奶容器大小进行分析:
看是否有可能在某一容积牛奶中姆潘巴现象最明显,将上述实验结果明显的材料配比,再分别放在0.1升、0.2升、0.3升、0.4升、0.5升、0.8升、1升容器内进行冷热比较,看哪一种姆潘巴现象明显。
3、从牛奶容器外界温度进行分析:
看是否因冰箱的冰冻温度与姆潘巴现象有关,我们将冰箱的冰冻温度调节到-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-30℃、-40℃,从上述材料方法进行冷热对比,看哪一种情况姆潘巴效果最明显。
4、测量容器中离中心点不同处的冷却温度:
如果我们用仪器测出容器中离中心不同处的冷却过程变化,可知道它们的每个地方与第一个时刻的冷却速率,就可以知道形成姆潘巴现象的关键所在。
测试方法:将测温计几十个安装渐开线方式放在一个不锈钢锅内,按每分钟记录一次,看每点的温度变化并且列入表格和图像,一是看在哪一个时间段温度变化值最大,二是看在哪一个区域温度变化最大。
将上述实验大量数据进行分析对比,看姆潘巴现象是否存在,形成姆潘巴现象的主要因素是什么。
5、冰箱温度的不均匀性与气体流动性对形成姆潘巴现象的影响
我们认为由于一般冷冻冰箱内没有强迫循环风扇,气体流动是不均匀的,对流传热不畅,而靠接触传导传递热量速度很慢,会造成冰箱内各点温度值相差极大,这样完全有可能热牛奶反而先结冰,这就说明了姆潘巴现象根本是一个几十年的误解,所以我们用实验进行分析。
(1)我们先测量出在冷冻室内不存放食物时各点温差,找出最大值。
(2)我们再测量出在冷冻室内存放50%食物时各点温差,找出最大值。
(3)我们先测量出在冷冻室内存放100%食物时各点温差,找出最大值。
(4)我们先测量出在冷冻室内存放50%食物再用风扇将气体流动时各点温差,找出最大值。
6、数据分析
对测得的各种数据进行分析研究,找出关键性的变化规律,由此得出形成姆潘巴现象的实质。
7、结论
有两种可能:
1、一种是姆潘巴现象确实存在,主要原因在于当液体冷却到一定温度时变稠不能流动,从而不能形成用对流方式传递热量,主要靠传导方式传递热量,其热传递性极差,形成冷却速度大下降,而热的牛奶在快速冷却时在边缘部分液体速冷已结成晶核,结成冰粒,而内部液体却处在高温状态,处于液体状态,在冰粒与水的混合状态可以流动,使容器表面与内部温度相同反而易结冰所致。
2、另一种可能是在同样外界条件下,不可能形成姆潘巴现象,而仅仅是放糖的多少没搅拌均匀,仅姆潘巴这瓶牛奶比其他同学稀薄,流动性好冷却快所致。也有可能是冰箱内牛奶多,空气流动不畅形成冰箱温度不均匀,姆潘巴的一瓶牛奶比其他同学的牛奶更靠近冷却管处温度低所致。

Claims (7)

1、一种研究姆潘巴问题的实验装置,其特征在于该实验装置主要包括下列设备:速冻冰箱(1)、多点自动温度记录仪(2)及测温探头(3);其中,所述的多点自动温度记录仪(2)同多个测温探头(3)相连,将所述的测温探头(3)放入速冻冰箱(1)内部的各个部位进行研究。
2、根据权利要求1所述的一种研究姆潘巴问题的实验装置,其特征在于所述的多个测温探头(3)安装放置呈渐开线方式。
3、一种应用上述研究姆潘巴问题的实验装置进行研究的方法,其特征在于该方法包括:
1、从牛奶的粘度变化分析在何种情况下对姆潘巴现象影响最大
从资料分析由于该现象是用鲜牛奶加糖制冰淇淋,其中涉及到放入糖的多少,与是否拌均,这对冷冻速率有直接影响,所以我们先从该处着手;
实验资料:冰箱、鲜牛奶、纯水、糖、0.3升容器数只;
实验步骤:分别将纯牛奶、50%牛奶+50%纯水、0.3升牛奶+10克糖、0.3升牛奶+20克糖、0.3升牛奶+50克糖、0.3升牛奶+100克糖、0.3升牛奶+200克糖,从40℃开始冰冻与从90℃开始冰冻,进行比较;
2、从牛奶容器大小进行分析
看是否有可能在某一容积牛奶中姆潘巴现象最明显,将上述实验结果明显的材料配比,再分别放在0.1升、0.2升、0.3升、0.4升、0.5升、0.8升、1升容器内进行冷热比较,看哪一种姆潘巴现象明显;
3、从牛奶容器外界温度进行分析
看是否因冰箱的冰冻温度与姆潘巴现象有关,我们将冰箱的冰冻温度调节到-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-30℃、-40℃,从上述材料方法进行冷热对比,看哪一种情况姆潘巴效果最明显;
4、测量容器中离中心点不同处的冷却温度
如果我们用仪器测出容器中离中心不同处的冷却过程变化,可知道它们的每个地方与第一个时刻的冷却速率,就可以知道形成姆潘巴现象的关键所在;
测试方法:将测温计几十个安装渐开线方式放在一个不锈钢锅内,按每分钟记录一次,看每点的温度变化并且列入表格和图像,一是看在哪一个时间段温度变化值最大,二是看在哪一个区域温度变化最大;
将上述实验大量数据进行分析对比,看姆潘巴现象是否存在,形成姆潘巴现象的主要因素是什么;
5、冰箱温度的不均匀性与气体流动性对形成姆潘巴现象的影响
我们认为由于一般冷冻冰箱内没有强迫循环风扇,气体流动是不均匀的,对流传热不畅,而靠接触传导传递热量速度很慢,会造成冰箱内各点温度值相差极大,这样完全有可能热牛奶反而先结冰,这就说明了姆潘巴现象根本是一个几十年的误解,所以我们用实验进行分析;
(1)我们先测量出在冷冻室内不存放食物时各点温差,找出最大值;
(2)我们再测量出在冷冻室内存放50%食物时各点温差,找出最大值;
(3)我们先测量出在冷冻室内存放100%食物时各点温差,找出最大值;
(4)我们先测量出在冷冻室内存放50%食物再用风扇将气体流动时各点温差,找出最大值;
6、数据分析
对测得的各种数据进行分析研究,找出关键性的变化规律,由此得出形成姆潘巴现象的实质;
7、结论
有两种可能:
1、一种是姆潘巴现象确实存在,主要原因在于当液体冷却到一定温度时变稠不能流动,从而不能形成用对流方式传递热量,主要靠传导方式传递热量,其热传递性极差,形成冷却速度大下降,而热的牛奶在快速冷却时在边缘部分液体速冷已结成晶核,结成冰粒,而内部液体却处在高温状态,处于液体状态,在冰粒与水的混合状态可以流动,使容器表面与内部温度相同反而易结冰所致;
2、另一种可能是在同样外界条件下,不可能形成姆潘巴现象,而仅仅是放糖的多少没搅拌均匀,仅姆潘巴这瓶牛奶比其他同学稀薄,流动性好冷却快所致;也有可能是冰箱内牛奶多,空气流动不畅形成冰箱温度不均匀,姆潘巴的一瓶牛奶比其他同学的牛奶更靠近冷却管处温度低所致。
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