雞蛋上的物理學(xué)

研究性課題雞蛋上的物理學(xué)

雞蛋上的物理學(xué)

摘要：以下將從雞蛋的構(gòu)造入手，從內(nèi)到外，一一“解剖”雞蛋，仔細(xì)研究雞蛋外殼的薄殼結(jié)構(gòu)，以及雞蛋內(nèi)部物質(zhì)影響其豎立等關(guān)于物理方面的問(wèn)題，揭開(kāi)雞蛋身上“鮮為人知”的秘密！關(guān)鍵詞：雞蛋物理實(shí)驗(yàn)中學(xué)物理的課程目標(biāo)是提高科學(xué)素養(yǎng)。通過(guò)物理課程的學(xué)習(xí)，我們不僅應(yīng)掌握物理知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能，了解物理研究的過(guò)程與方法，而且還應(yīng)具有物理學(xué)習(xí)甚至研究的情感態(tài)度與價(jià)值觀。其中最重要的是能領(lǐng)略自然界的美妙與和諧。美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼曾說(shuō):“學(xué)過(guò)科學(xué)以后，你周?chē)氖澜绶路鹱兞藰幼??！边@才是科學(xué)學(xué)習(xí)的真諦。新課程提倡的從生活走向物理的思想并不僅僅是為了提高我們學(xué)習(xí)物理興趣的權(quán)宜之策，而是對(duì)物理本真的追求。我們從雞蛋的構(gòu)造入手，同時(shí)進(jìn)行了幾個(gè)與雞蛋有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了的物理學(xué)習(xí)興趣，加深對(duì)概念的理解。

一、雞蛋的構(gòu)造

雞蛋主要可分為三部分：蛋殼、蛋白及蛋黃。（一）蛋殼：完整的蛋殼呈橢圓形，約占全蛋體積的11%~11.5%。蛋殼又可分為殼上膜、殼下皮、氣室。（二）蛋白:蛋白是殼下皮內(nèi)半流動(dòng)的膠狀物質(zhì)，體積約占全蛋的57%~－58.5％。蛋白中約含蛋白質(zhì)12％，主要是卵白蛋白。蛋白中還含有一定量的核黃素、尼克酸、生物素和鈣、磷、鐵等物質(zhì)。（三）蛋黃:蛋黃多居于蛋白的中央，由系帶懸于兩極。蛋黃體積約全蛋的30％~32％，主要組成物質(zhì)為卵黃磷蛋白，另外脂肪含量為28.2％，脂肪多屬于磷脂類(lèi)中一的卵磷脂。對(duì)人類(lèi)的營(yíng)養(yǎng)方面，蛋黃含有豐富的維生素A和維生素D，且含有較高的鐵、磷、硫和鈣等礦物質(zhì)。蛋黃內(nèi)有胚珠。

二、幾項(xiàng)神奇的實(shí)驗(yàn)

（一）捏不碎的雞蛋在多次的實(shí)驗(yàn)中，小組成員都進(jìn)行了捏雞蛋的實(shí)驗(yàn)，但結(jié)果卻都失敗了——沒(méi)有一個(gè)人能夠把雞蛋捏破。大家都感到很奇怪，為什么捏不破捏？通過(guò)查找資料發(fā)現(xiàn)，這是由于雞蛋的特殊結(jié)構(gòu)——薄殼結(jié)構(gòu)——所決定的。正因?yàn)槭撬?，雞蛋就能夠把受到的壓力均勻地分散到蛋殼的各個(gè)部分薄殼結(jié)構(gòu)就是曲面的薄壁結(jié)構(gòu)，按曲面生成的形式分為筒殼、圓頂薄殼、雙曲扁殼和雙曲拋物面殼等。殼體能充分利用材料強(qiáng)度，同時(shí)又能將承重與圍護(hù)兩種功能融合為一。這在建筑工程中很常見(jiàn)，實(shí)際工程中還可利用對(duì)空間曲面的切削與組合，形成造型奇特新穎且能適應(yīng)各種平面的建筑，但較為費(fèi)工和費(fèi)模板。

雞蛋的外形就是集中中的圓頂薄殼。圓頂薄殼是正高斯曲率的旋轉(zhuǎn)曲面殼，由殼面與支座環(huán)組成，殼面厚度做得很薄，一般為曲率半徑的1／600，跨度可以很大。支座環(huán)對(duì)圓頂殼起箍的作用，并通過(guò)它將整個(gè)薄殼擱置在支承構(gòu)件上。因薄殼結(jié)構(gòu)容易制作，穩(wěn)定性好，容易適應(yīng)建筑功能和造型需要，所以應(yīng)用較為廣泛。世界上也有許多建筑都是應(yīng)用薄殼結(jié)構(gòu)建造的，意大利佛羅倫薩主教堂、澳大利亞悉尼歌劇院、我國(guó)人民大會(huì)堂、北京火車(chē)站等都是運(yùn)用了薄殼結(jié)構(gòu)。

悉尼歌劇院

佛羅倫薩主教堂

（二）豎雞蛋在日常生活中，雞蛋總是不能豎起來(lái)，這又是為什么呢？其實(shí)雞蛋是可以豎起來(lái)的。任何物體都是有重心的，把一個(gè)物體安放在地面上，它跟地面接觸的面叫做底面。從物體的重心向地面引一條垂線，如果穿過(guò)底面，它就不會(huì)倒。薩斜塔之所以現(xiàn)在還沒(méi)有倒，就是這個(gè)緣故。從物體的重心向地面所引的垂線，其實(shí)就是表示地心引力的那條想像的繩子。那條想像的繩子一股勁兒地把物體往下拉，可是有底面支撐著，物體就能夠穩(wěn)住不動(dòng)。要是那條想像的繩子越出了底面的范圍，物體就被它給拉倒了，也可以這樣解釋?zhuān)驗(yàn)樗牡酌娌荒苤嗡闹匦乃艿降牡匦囊?，它不得不轉(zhuǎn)動(dòng)一下，另外找一個(gè)底面來(lái)支撐。有的物體一碰就倒，因?yàn)橐慌?，它的重心就稍稍偏過(guò)一點(diǎn)兒，重心向地面所引的垂線就越出了底面的范圍，它就讓地心引力給拉倒了。一塊磚直立著很容易被推倒，平放著，它就十分穩(wěn)定了。因?yàn)榇u在平放著的時(shí)候，底面最大，重心最低，由重心向地面所引的垂線很不容易越出底面的范圍。所以豎雞蛋只要三個(gè)條件：底面大、重心低、重心向地面所引的垂線指向地心。但是雞蛋的結(jié)構(gòu)很特殊,它里面有蛋白有蛋黃，蛋黃的密度小于蛋白的密度，所以任憑你把雞蛋顛來(lái)倒去，蛋黃總是稍稍偏在上方，雞蛋的重心因而稍向下移動(dòng)。我們

把雞蛋在桌面上扶直了，要是它那兩個(gè)頂端的連結(jié)線恰好跟桌面垂直，它的重心又恰好靜止在這條連結(jié)線上，我們盡管放手，雞蛋一定豎直不倒。這樣的巧合，當(dāng)然更難辦到了。最終在小組成員長(zhǎng)達(dá)近一小時(shí)的時(shí)間，終于把雞蛋豎起來(lái)了。（三）瓦碎蛋全雜技表演過(guò)程中，進(jìn)場(chǎng)會(huì)有肚上砸石、頭頂開(kāi)磚等絕活亮相，其中的原理是什么呢？是不是只有練過(guò)硬氣功的人才能完成這些表演呢？其實(shí)我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)幫助我們理解其中的原理。在桌子上攤一塊海綿，在海綿上放4個(gè)雞蛋，在雞蛋上再放一塊海綿，海綿上放一塊木板，在木板上摞三四塊磚，再在磚上放一塊瓦片。用錘子猛地敲擊瓦片，瓦片被擊碎，而下面的雞蛋卻安然無(wú)恙。這個(gè)實(shí)驗(yàn)與雜技中的肚上砸石、頭頂開(kāi)磚等有異曲同工之處。由于錘子與瓦片的接觸時(shí)間較短、面積較小，破壞力主要集中在瓦片上，而向下傳遞后雞蛋受力時(shí)間較長(zhǎng)、面積較大，所以失去破壞性。（四）慣性實(shí)驗(yàn)如圖所示，在裝有水的杯子上放一塑料片，把雞蛋放在塑料片上。用塑料尺猛彈塑料片，塑料片在水平方向上受力飛走，而雞蛋在水平方向上幾乎不受力，保持慣性而靜止，在重力作用下而落入杯中。在此實(shí)驗(yàn)中，雞蛋在水平方向上并不是不受力，而是所受的力相對(duì)很小，可忽略不記。

（五）浮力實(shí)驗(yàn)如圖所示，雞蛋放在清水中會(huì)沉入水底；若放入事先配好的鹽水中，雞蛋會(huì)浮在水面；如果配制合適的鹽水，雞蛋會(huì)懸浮在水中。也可以用雞蛋制作浮沉子。把雞蛋放入清水中，用長(zhǎng)頸漏斗將少量濃度較高的鹽酸注入容器底部，蛋殼中的碳酸鹽與酸反應(yīng)生成二氧化碳，二氧化碳附著在蛋殼上，雞蛋所受的浮力增大，雞蛋上??；上浮后氣體放出，浮力減小，雞蛋下沉，如此反復(fù)。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)是利用雞蛋的密度與水接近的特性。經(jīng)測(cè)量新鮮雞蛋的密度在1108×103kgPm3～1109×103kgPm3之間，因此用雞蛋較容易做這類(lèi)實(shí)驗(yàn)。

（六）瓶吞蛋實(shí)驗(yàn)瓶吞蛋是一個(gè)說(shuō)明大氣壓存在的生動(dòng)實(shí)驗(yàn)。如圖所示，找一個(gè)瓶口比雞蛋略小的玻璃瓶，點(diǎn)燃蘸了酒精的棉花，投入瓶中，把剝了殼的熟雞蛋封在瓶口，瓶?jī)?nèi)的火熄

滅，溫度降低，氣壓減小，由于瓶?jī)?nèi)外的壓強(qiáng)差把雞蛋壓入瓶中。如果使瓶倒置，并對(duì)玻璃瓶進(jìn)行加熱，可以使吞入瓶?jī)?nèi)的蛋再吐出來(lái)。開(kāi)始看到這一描述，我們感覺(jué)不可思議，雞蛋硬硬的，怎么會(huì)鉆進(jìn)口比雞蛋小的瓶子呢？事實(shí)確實(shí)如此。不做不知道，一做真奇妙！

（七）雞蛋砸墻雞蛋那么脆弱，平時(shí)需要細(xì)心保護(hù)才不破。用雞蛋去砸用布做的墻能行嗎?演示時(shí)讓兩名成員拉住布的四角，讓其他的學(xué)生拿雞蛋用力向墻上砸。由于雞蛋的特殊結(jié)構(gòu)，布與雞蛋的接觸面積較大，又加上布是懸著的，蛋與布的接觸時(shí)間被拉長(zhǎng)，根據(jù)沖量的知識(shí)，雞蛋不會(huì)破。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們開(kāi)始不敢用力，怕雞蛋被扔爛。當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)用全力扔而雞蛋仍不破時(shí)，都感到不可思議。在演示時(shí)，布的下面兩個(gè)角要向上提起，形成一個(gè)皺折，防止雞蛋從布上落到地上而摔碎。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們的思維更加嚴(yán)謹(jǐn)，操作更謹(jǐn)慎。

三、結(jié)論：結(jié)論：

雞蛋只是生活中常見(jiàn)的一種物質(zhì)，生活中的許多其他物質(zhì)都可以作為實(shí)驗(yàn)材料。只要我們注意觀察，勤于思考，善于動(dòng)手，就可以開(kāi)發(fā)出很多有趣的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們領(lǐng)略了自然界的美妙與和諧，對(duì)物理學(xué)習(xí)起了促進(jìn)作用