关于彭巴效应的探究(研究性学习)剖析.doc

关于彭巴效应的探究 高17届创新实验二班 周熠真，张孟冬，薛皓晨 张文睿，权一新，邱中昱 指导老师：李欣 前言 有一个并不广为人知但却已存在很久的现象，它早已被亚里士多德提出，但至今仍是一个未解之谜。英国皇家化学学会出资悬赏它的最佳解释，却有很多物理老师对它嗤之以鼻、不承认它的存在。它就是彭巴效应，一个违背了常识的效应。解决它，绝不能仅仅把它放在书本中——当作平时的作业来解决，而是要走进“彭巴的世界”——亦或者称之为你的世界、我的世界，也就是现实生活中。在这里，一杯水已不再是纯净物，里面有钙镁离子、微生物，结冰需要考虑凝结核，降温是自外至内的。唯有这样，才能找到通向成功的钥匙。  目录 彭巴效应简介……………………01 资料一（硬水论）………………03 资料二（冰盖说）………………04 资料三（微生物说）……………05 资料四（非等质现象）…………06 资料五（氢键说）………………07 资料分析…………………………08 相关实验…………………………10 中期报告…………………………14 结题报告…………………………22  彭巴效应简介 彭巴效应，又名姆潘巴现象，指在同等体积、同等质量和同等冷却环境下，温度略高的液体比温度略低的液体先结冰的现象。 亚里士多德、培根和笛卡尔均曾以不同的方式描述过该现象，但是均未能引起广泛的注意。1963年，坦桑尼亚的马干巴中学三年级的学生彭巴经常与同学们一起做冰淇淋吃。在做的过程中，他们总是先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷却后倒入冰格中，再放进冰箱冷冻。有一天，当彭巴做冰淇淋时，冰箱冷冻室内放冰格的空位已经所剩无几。为了抢占剩下的冰箱空位，彭巴只得急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖，等不及冷却，就把滚烫的牛奶倒入冰格中，并送入冰箱。一个半小时后，彭巴发现了一个让他十分困惑的现象：他放入的热牛奶已经结成冰，而其他同学放的冷牛奶还是很稠的液体。照理说，水温越低，结冰的速度越快，而牛奶中含有大量的水，应该是冷牛奶比热牛奶结冰速度快才对，但事实怎么会颠倒过来了？ 彭巴把这个疑惑从初中带到了高中。他先后请教了几个物理老师，都没有得到答案。一位老师感觉他提出的问题怪异得近乎荒唐，就用嘲讽的口吻说：你说的这些就叫做彭巴效应吧！但执着的彭巴并没有认为自己的问题很荒唐，他抓住达累斯萨拉姆大学物理系系主任奥斯波恩博士到他们学校访问的机会，又提出了自己的疑问。这位博士并没有对他的问题嗤之以鼻。回到实验室后，博士按照彭巴的陈述做了冷热牛奶实验和冷热水物理实验，结果都观察到了彭巴所描述的颠覆常识的怪现象。于是，他邀请彭巴和他一起对这个现象进行了深入研究。1969年，他和丹尼斯·奥斯伯恩博士（Denis G. Osborne）共同撰写了关于此现象的一篇论文，因此该现象便以其名字命名。 “彭巴效应”真的能颠覆我们以往关于水结冰的常识吗？四十多年来，许多论文与实验试图证实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。 对此，我们小组决定对于彭巴效应展开一系列的研究，包括网上查阅资料、分析资料、亲自试验和分析试验。进行此次研究性学习，有助于提高小组成员思考的能力，增强动手能力，锻炼对于网上不同信息的分析的能力，提高自身的思维深度，增强判断力，同时对于物理学中的控制变量法进行实践。  资料一（硬水论） 美国华盛顿大学的乔纳森·卡茨通过对彭巴效应的深入研究，捉到了隐藏其中的鬼怪。他证实，这种现象不但真实存在，而且造成这种现象发生的鬼怪也是真实存在的。不过，这其中的鬼怪只是隐藏在水里面的一些寻常“硬物”。 在破解彭巴效应的过程中，卡茨把目光盯在了水上。我们知道，水在加热过程中，一些隐藏在水里的易溶物——钙、镁离子等会被驱逐出去，形成沉淀物。我们日常生活中常见的附在水壶内壁上的水垢，就是它们被驱出去的证据。而水在达到沸点以后，就会因硬物被绝大部分清除而软化。卡茨发现，同样是冷冻结冰，未经加热的硬水在结冰过程中，由于其内部硬物作祟，使得硬水的冰点要比被加热后的软水冰点升高一些，这就减缓了硬水结冰的速度。这一原理就如同下雪后向路面撒盐会防止结冰一样，盐的混入，会使雪的冰点升高，这样，雪结冰的过程就拉长了。 但仅凭这个发现还不能直接破解彭巴效应，因为彭巴的同学们在做冰淇淋的过程中，都先把生牛奶煮熟了。那为 什么彭巴的热牛奶会先冻结呢？卡茨发现，原因还是出在水里的硬物上: 为了吃到可口的冰淇淋，他们都在牛奶里加了糖，而糖实际上会使牛奶液体变硬。但同样是煮熟、加糖的牛奶，热牛奶液体的硬度实际要比冷牛奶的硬度要低一点，这个硬度的差异造成了它们冰点的差异，硬度较高的冷牛奶冰点相对要高些。这样，冰点略低的热牛奶自然要比冰点略高的冷牛奶要先结冰了。 资料二（冰盖说） 从物理方面来说，致冷有四种并存的机制：辐射、传导、汽化、