【2017年整理】对液体冷却快慢的研究报告.doc

对液体冷却快慢的研究报告 作 者：珠海市前山中学 黄 春 指导教师：珠海市前山中学 熊志权 问题的提出：在前山中学读高中时，由于离校很远，我们几个同学寄宿在学校里，当时天气炎热，我们常常利用学校食堂里的冰柜冻牛奶喝，我们几个通常是将饮用开水冲入牛奶粉然后放进冰箱的急冻室，由于我们的食堂老板对学生特别好，班上很多同学都来制所谓的“冰淇淋”解热，因而在有限的时间内要力争获得冰箱里的空间，因此我们的动作都是非常的快。 一天中午我来迟了一点，我从热水瓶中倒出开水焦急地等水冷却，我决定冒着弄坏冰箱的危险把还烫的牛奶放入冰箱（因为我们的物理老师曾经叮嘱我们制冻奶要自然冷却后才可放入冰箱，否则有大量的电能损耗或使冰箱损坏。） 下午两节课以后，我和另一个同学跑回来，发现我杯中的奶已冻结成冰块，而他的却还是稠稠的液体。况且我杯中牛奶的体积并不比他的少！开始我还以为我拿错了杯子，但我却深深地记得我的杯子是印的一只大大的熊猫的标志，冰箱里是独一无二的。 我问我的物理教师为什么会这样？即为什么热牛奶先冻？他给我的回答是：“你没有弄错吧？能再重复一下实验得出这个结论吗？” 实验重复了一次又一次，结果还是如此！我们都不得其解，包括我们的物理老师！ 以后，学校食堂的冰箱便成了我们试验装置，进一步大量的试验证实了我的说法，同时我们也认为这些实验给我们指出了解释这一现象的途径。尽管我们以前都没有听说过这件事，也无从找到有关的参考资料，但我们相信，自然界中存在的一些规律，专门研究物理学的老师也可能遇到危险，但同时也对物理教师和热爱学习物理的同学提供了一个感兴趣的问题。 初步研究：但这个问题究竞是怎么回事？由于对这一简单的发现所提出的问题感到迷惑，这时全校的研究性课程在轰轰烈烈地开展，物理老师索性把我们把这个问题列为高中年级的研究性课题。我当然是课题组组长了。实验用的装置是在直径差不多是4.5厘米，容积为120毫升的硼硅酸玻璃烧杯内盛水作为实验系统，并让其在家用冷冻冰箱里冻结起来（其外部有透明的玻璃便于观察结果）。烧杯放置在2厘米厚的一级福乐斯板上（一种良好的保温材料，我叔叔就是这种产品的推销员），并不与冰箱壁相互接触，观察到的实验事实是： 如果将温度不同其它状态（体积、容器形状、同一保温材料）相同的水同时放入冰箱中相互隔开一定的距离形成一个独立的系统，那么其结论是热水首先冻结。试验数据如下： 第一次试验 第一次试验 第一次试验 初始温度（○C） 20 50 20 50 20 50 液体体积 (ml) 25 25 40 40 70 70 冻结时间(min) 102 79 146 123 194 167 根据多次试验得出质量为60ml的水开始冻结时间对初始温度的图线形状如图一所示： 初绐温度（○C） 冻结时间(min) 第1次 10 135 第2 次 20 148 第3次 30 156 第4次 40 140 第5次 50 150 第6次 60 135 第7次 70 124 第8次 80 110 物理老师建议我们的试验在水中加注一滴食用油，则在水的表面有一层油膜，则冻结时间会推迟数小时，该事实表示，如果没有这层油膜，大部分热量是从液体上表面散发的。 试验次数 体积(ml) 液体表面干净时的冷却时间（min） 液体表面有一层油膜时的冷却时间(min) 1 20 136 211 2 40 153 250 3 60 175 268 4 80 192 281 不同体积在同种初始温度下的水开始冻结的时间不相同，随着体积的增加时间也增加。 第1 次 第2次 第3次 第4次 体积（ml） 20 40 60 80 时间（min） 109 150 181 199 在液体当中有温度梯度存在，即不同的液面高度有不同的温度值 考虑到溶解在水中的空气和杂质可能是一种因素，所以我们采用永隆公司的纯净水并且使其沸腾过做实验，从而这一因素也已排除。 考虑不同的容器对水的冷却有一定的影响，我们分别采用了陶瓷杯、木制容器、铁制容器、一次性塑料杯和纸杯进行过实验，这些都不对我们的结论构成影响，只影响冻结的速度。 陶瓷杯 木制容器 铁制容器 塑料杯 纸 杯 冻结时间（min） 77 86 40 50 58 备注：初温和质量相同。但没有考虑盛水容器形状对冷却的影响 进一步研究：在指导老师的指导下，我们还对同一冷却系统进行了不同液体层面的温度研究和测量，得出了一个重要结论：液体在冷却进程中不是保持同一温度的，不同的液面层上的不同的温度！即存在温度的梯度。这可能是解释这一现象的重要依据！ 我们根据所测量的温度值描绘出了水的表面和内部之间的温度变化规律。图2是从90摄氏度起的温度相对时间的冷却曲线，其中虚线代表液体表面的温度，实