關(guān)于彭巴效應(yīng)的探究(研究性學(xué)習(xí))

關(guān)于彭巴效應(yīng)的探究高17屆創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)二班周熠真，張孟冬，薛皓晨張文睿，權(quán)一新，邱中昱指導(dǎo)老師：李欣前言有一個(gè)并不廣為人知但卻已存在很久的現(xiàn)象，它早已被亞里士多德提出，但至今仍是一個(gè)未解之謎。英國皇家化學(xué)學(xué)會出資懸賞它的最佳解釋，卻有很多物理老師對它嗤之以鼻、不承認(rèn)它的存在。它就是彭巴效應(yīng)，一個(gè)違背了常識的效應(yīng)。解決它，絕不能僅僅把它放在書本中——當(dāng)作平時(shí)的作業(yè)來解決，而是要走進(jìn)“彭巴的世界”——亦或者稱之為你的世界、我的世界，也就是現(xiàn)實(shí)生活中。在這里，一杯水已不再是純凈物，里面有鈣鎂離子、微生物，結(jié)冰需要考慮凝結(jié)核，降溫是自外至內(nèi)的。唯有這樣，才能找到通向成功的鑰匙。

目錄HYPERLINK彭巴效應(yīng)簡介……01HYPERLINK資料一（硬水論）………………03HYPERLINK資料二（冰蓋說）………………04HYPERLINK資料三（微生物說）……………05HYPERLINK資料四（非等質(zhì)現(xiàn)象）…………06HYPERLINK資料五（氫鍵說）………………07HYPERLINK資料分析…………08HYPERLINK相關(guān)實(shí)驗(yàn)…………10HYPERLINK中期報(bào)告…………14HYPERLINK結(jié)題報(bào)告…………22PAGE22彭巴效應(yīng)簡介彭巴效應(yīng)，又名姆潘巴現(xiàn)象，指在同等體積、同等質(zhì)量和同等冷卻環(huán)境下，溫度略高的液體比溫度略低的液體先結(jié)冰的現(xiàn)象。亞里士多德、培根和笛卡爾均曾以不同的方式描述過該現(xiàn)象，但是均未能引起廣泛的注意。1963年，坦桑尼亞的馬干巴中學(xué)三年級的學(xué)生彭巴經(jīng)常與同學(xué)們一起做冰淇淋吃。在做的過程中，他們總是先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷卻后倒入冰格中，再放進(jìn)冰箱冷凍。有一天，當(dāng)彭巴做冰淇淋時(shí)，冰箱冷凍室內(nèi)放冰格的空位已經(jīng)所剩無幾。為了搶占剩下的冰箱空位，彭巴只得急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖，等不及冷卻，就把滾燙的牛奶倒入冰格中，并送入冰箱。一個(gè)半小時(shí)后，彭巴發(fā)現(xiàn)了一個(gè)讓他十分困惑的現(xiàn)象：他放入的熱牛奶已經(jīng)結(jié)成冰，而其他同學(xué)放的冷牛奶還是很稠的液體。照理說，水溫越低，結(jié)冰的速度越快，而牛奶中含有大量的水，應(yīng)該是冷牛奶比熱牛奶結(jié)冰速度快才對，但事實(shí)怎么會顛倒過來了？彭巴把這個(gè)疑惑從初中帶到了高中。他先后請教了幾個(gè)物理老師，都沒有得到答案。一位老師感覺他提出的問題怪異得近乎荒唐，就用嘲諷的口吻說：你說的這些就叫做彭巴效應(yīng)吧！但執(zhí)著的彭巴并沒有認(rèn)為自己的問題很荒唐，他抓住達(dá)累斯薩拉姆大學(xué)物理系系主任奧斯波恩博士到他們學(xué)校訪問的機(jī)會，又提出了自己的疑問。這位博士并沒有對他的問題嗤之以鼻?；氐綄?shí)驗(yàn)室后，博士按照彭巴的陳述做了冷熱牛奶實(shí)驗(yàn)和冷熱水物理實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都觀察到了彭巴所描述的顛覆常識的怪現(xiàn)象。于是，他邀請彭巴和他一起對這個(gè)現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究。1969年，他和丹尼斯·奧斯伯恩博士（DenisG.Osborne）共同撰寫了關(guān)于此現(xiàn)象的一篇論文，因此該現(xiàn)象便以其名字命名?！芭戆托?yīng)”真的能顛覆我們以往關(guān)于水結(jié)冰的常識嗎？四十多年來，許多論文與實(shí)驗(yàn)試圖證實(shí)這個(gè)現(xiàn)象背后的原理，但由于缺乏科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及定量分析，至今沒有定論。對此，我們小組決定對于彭巴效應(yīng)展開一系列的研究，包括網(wǎng)上查閱資料、分析資料、親自試驗(yàn)和分析試驗(yàn)。進(jìn)行此次研究性學(xué)習(xí)，有助于提高小組成員思考的能力，增強(qiáng)動手能力，鍛煉對于網(wǎng)上不同信息的分析的能力，提高自身的思維深度，增強(qiáng)判斷力，同時(shí)對于物理學(xué)中的控制變量法進(jìn)行實(shí)踐。

資料一（硬水論）美國華盛頓大學(xué)的喬納森·卡茨通過對彭巴效應(yīng)的深入研究，捉到了隱藏其中的鬼怪。他證實(shí)，這種現(xiàn)象不但真實(shí)存在，而且造成這種現(xiàn)象發(fā)生的鬼怪也是真實(shí)存在的。不過，這其中的鬼怪只是隱藏在水里面的一些尋?！坝参铩?。在破解彭巴效應(yīng)的過程中，卡茨把目光盯在了水上。我們知道，水在加熱過程中，一些隱藏在水里的易溶物——鈣、鎂離子等會被驅(qū)逐出去，形成沉淀物。我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷母皆谒畨貎?nèi)壁上的水垢，就是它們被驅(qū)出去的證據(jù)。而水在達(dá)到沸點(diǎn)以后，就會因硬物被絕大部分清除而軟化?？ù陌l(fā)現(xiàn)，同樣是冷凍結(jié)冰，未經(jīng)加熱的硬水在結(jié)冰過程中，由于其內(nèi)部硬物作祟，使得硬水的冰點(diǎn)要比被加熱后的軟水冰點(diǎn)升高一些，這就減緩了硬水結(jié)冰的速度。這一原理就如同下雪后向路面撒鹽會防止結(jié)冰一樣，鹽的混入，會使雪的冰點(diǎn)升高，這樣，雪結(jié)冰的過程就拉長了。但僅憑這個(gè)發(fā)現(xiàn)還不能直接破解彭巴效應(yīng)，因?yàn)榕戆偷耐瑢W(xué)們在做冰淇淋的過程中，都先把生牛奶煮熟了。那為什么彭巴的熱牛奶會先凍結(jié)呢？卡茨發(fā)現(xiàn)，原因還是出在水里的硬物上:為了吃到可口的冰淇淋，他們都在牛奶里加了糖，而糖實(shí)際上會使牛奶液體變硬。但同樣是煮熟、加糖的牛奶，熱牛奶液體的硬度實(shí)際要比冷牛奶的硬度要低一點(diǎn)，這個(gè)硬度的差異造成了它們冰點(diǎn)的差異，硬度較高的冷牛奶冰點(diǎn)相對要高些。這樣，冰點(diǎn)略低的熱牛奶自然要比冰點(diǎn)略高的冷牛奶要先結(jié)冰了。資料二（冰蓋說）從物理方面來說，致冷有四種并存的機(jī)制：輻射、傳導(dǎo)、汽化、對流。通過實(shí)驗(yàn)觀察并對結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)引起熱水比冷水先結(jié)冰的原因主要是傳導(dǎo)、汽化、對流三者相互作用的綜合效果。如果把熱水和冷水結(jié)冰的過程敘述出來并分析其原因就更能說明問題了：盛有初溫4℃冷水的杯，結(jié)冰要很長時(shí)間，因?yàn)樗筒ＡФ际菬醾鲗?dǎo)不良的材料，液體內(nèi)部的熱量很難依靠傳導(dǎo)而有效地傳遞到表面。杯子里的水由于溫度下降，體積膨脹，密度變小，集結(jié)在表面。所以水在表面處最先結(jié)冰，其次是向底部和四周延伸，進(jìn)而形成了一個(gè)密閉的“冰殼”。這時(shí)，內(nèi)層的水與外界的空氣隔絕，只能依靠傳導(dǎo)和輻射來散熱，所以冷卻的速率很小，阻止或延緩了內(nèi)層水溫繼續(xù)下降的正常進(jìn)行。另外由于水結(jié)冰時(shí)體積要膨脹，已經(jīng)形成的“冰殼”盛有初溫100℃熱水的杯，冷凍的時(shí)間相對來說要少得多，看到的現(xiàn)象是表面的冰層總不能連成冰蓋，看不到“冰殼”形成的現(xiàn)象，只是沿冰水的界面向液體內(nèi)生長出針狀的冰晶（在初溫低于12℃時(shí)，看不到這種現(xiàn)象）。隨著時(shí)間的流逝，冰晶由細(xì)變粗，這是因?yàn)槌鯗馗叩臒崴?，上層水冷卻后密度變大向下流動，形成了液體內(nèi)部的對流，使水分子圍繞著各自的“結(jié)晶中心”結(jié)成冰。初溫越高，這種對流越劇烈，能量的損耗也越大，正是這種對流，使上層的水不易結(jié)成冰蓋。由于熱傳遞和相變潛熱，在單位時(shí)間內(nèi)的內(nèi)能損耗較大，冷卻速率較大。當(dāng)水面溫度降到資料三（微生物說）同雨滴的形成需要“凝結(jié)核”一樣，水要結(jié)成冰，需要水中有許許多多的“結(jié)晶中心”。生物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水中的微生物往往是結(jié)晶中心。圍繞“結(jié)晶中心”生長出子晶，子晶是外延結(jié)晶的晶核。對流又使各種取向的分子流過子晶，依靠晶體表面的分子力，抓住合適取向的水分子，外延生長出分子作有序排列的許多晶粒，懸浮在水中。結(jié)晶釋放的能量則通過對流放出，而各相鄰的冰粒又連結(jié)成冰，直到水全部凍結(jié)為止。某些微生物在熱水（水溫在100℃以下一點(diǎn)）中繁殖比冷水中快，這樣一來，熱水中的“結(jié)晶中心”就要比冷水中的“結(jié)晶中心”資料四（非等質(zhì)現(xiàn)象）取兩杯體積相等的水，由于熱水密度比冷水小，熱水的質(zhì)量一定比冷水少。同時(shí)在降溫的過程中，熱水會因?yàn)闇囟容^高而蒸發(fā)掉比冷水更多的水，這些都導(dǎo)致熱水實(shí)際的質(zhì)量比冷水少，以致熱水降溫、結(jié)冰比冷水更快。以下是網(wǎng)絡(luò)上找到的一些數(shù)據(jù)：1.取兩只相同的直徑為6.5公分、高為9.5公分的塑料杯，各放入160克的水，一個(gè)為100℃開水，另一個(gè)為35℃的冷水，將它們同時(shí)放進(jìn)-18℃的冰箱冷凍室內(nèi)，30分鐘后開水質(zhì)量為155克2.取兩只相同的直徑為25公分、高為3.3公分的金屬盤子，各放入700克的水，一個(gè)為100℃的開水，另一個(gè)為35℃的冷水，將它們同時(shí)放進(jìn)3.在直徑為25公分、高為3.3公分的金屬盤子里，放入880克100℃的開水，將開水放置于29.5℃的屋子內(nèi)（沒有風(fēng)），40分鐘后開水降溫到35℃，質(zhì)量為810克，因蒸發(fā)而失去水分8%；75分鐘后開水降溫到資料五（氫鍵說）南洋理工大學(xué)認(rèn)為氫鍵給了水分子諸多特殊的性質(zhì)，如沸點(diǎn)較其他類似組成的液體高，即是因?yàn)闅滏I雖然比共價(jià)鍵弱，卻比分子間的作用力范德華力強(qiáng)，使水分子能夠聚合得更牢固。彭巴效應(yīng)也可由此解釋，研究團(tuán)隊(duì)指出，氫鍵將水分子拉近，卻也導(dǎo)致它們之間的斥力增大，這時(shí)氫鍵便會通過伸展來儲存能量。當(dāng)液體溫度上升時(shí)，水分子距離增大、氫鍵通過延展儲蓄能量；而溫度下降時(shí)，氫鍵隨之縮短，迅速釋放出能量冷卻下來。氫鍵儲存能量。高溫水在向同一目標(biāo)溫度（比如冰點(diǎn)）冷卻時(shí)，會比低溫水從氫鍵中釋放出更多的能量，所以，熱水比冷水凝固的快。

資料分析資料一（硬水論）：該種假說主要指熱水經(jīng)過煮沸而硬度降低，致使硬度低的熱水比硬度高的冷水冰點(diǎn)高，從而減緩了硬水結(jié)冰的速度。但冷熱水間軟硬程度差別不會很大，其對于水冰點(diǎn)的影響較小可忽略不計(jì)，況且網(wǎng)絡(luò)中有使用軟水出現(xiàn)彭巴效應(yīng)的例子，并不符合硬水論。同時(shí)，硬水論認(rèn)為熱牛奶液體的硬度實(shí)際要比冷牛奶的硬度要低，導(dǎo)致彭巴效應(yīng)的產(chǎn)生。但在熱牛奶溫度降低的同時(shí)，硬度也會再次上升，故熱牛奶的冰點(diǎn)在僅考慮硬水論的情況下與冷牛奶相同，此種解釋難以讓人信服。資料二（冰蓋說）：冰蓋說的內(nèi)容同時(shí)解釋了冬天河流只有表面結(jié)冰的原因，突出強(qiáng)調(diào)了外層冰對于內(nèi)層水的保溫隔熱作用，延緩了內(nèi)部水的結(jié)冰。但彭巴效應(yīng)指熱水比冷水先結(jié)冰，即先出現(xiàn)并而并非先全部結(jié)冰，故冰蓋說開始發(fā)生影響時(shí)彭巴效應(yīng)已經(jīng)發(fā)生。而在家中親自做的實(shí)驗(yàn)下，雖沒有出現(xiàn)彭巴效應(yīng)，但熱水同樣也出現(xiàn)了冰蓋包裹在周圍。資料三（微生物說）：微生物說同時(shí)涉及到了凝結(jié)核和過冷現(xiàn)象，作為凝結(jié)核的微生物在熱水中大量繁殖，冷水中則出現(xiàn)了微弱的過冷現(xiàn)象，兩者冰點(diǎn)不同導(dǎo)致熱水先結(jié)冰。但微生物說對于彭巴初次的牛奶試驗(yàn)并不適用。其他同學(xué)的牛奶自然冷卻微生物應(yīng)當(dāng)比彭巴的直接放入冰箱的牛奶多，況且制作冰淇淋前的煮沸正是為了殺菌，那么牛奶中的微生物根本不可能大量繁殖。資料四（非等質(zhì)現(xiàn)象）：非等質(zhì)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了彭巴效應(yīng)中定義的疏漏：溫度不同的水在常溫下不可能同時(shí)滿足質(zhì)量相等和以及相等。那么看著體積相同的水，由于密度的影響，熱水的質(zhì)量小于冷水。同時(shí)在冷卻過程中，熱水會蒸發(fā)量比冷水更多。以上兩點(diǎn)因素綜合考慮，熱水先于冷水結(jié)冰。但初始質(zhì)量差和蒸發(fā)對于熱水影響頗小，溫度差還是占有主導(dǎo)地位，因此未必會是彭巴效應(yīng)的決定因素。資料五（氫鍵說）水中的氫鍵使水有很多特殊的性質(zhì)，氫鍵的具體內(nèi)容無需再次敘述。然而，根據(jù)比熱容的公式Q=cmΔT，比熱容c是一個(gè)由實(shí)驗(yàn)直接測得的數(shù)據(jù)，因而其中包括了氫鍵等其他因素。所以熱水實(shí)際需要釋放的熱量還是很多。同時(shí)根據(jù)假說的要點(diǎn)，可以通過對具有氫鍵的其他液體進(jìn)行試驗(yàn)以檢驗(yàn)其真?zhèn)?。以上僅僅是我們在種種假說中找到的弊端，但并不代表以上假說一定不成立，對于以上弊端，我們尚可尋找解釋方法，亦或者由此發(fā)現(xiàn)新的假說。相關(guān)實(shí)驗(yàn)第一次試驗(yàn)材料：帶蓋水杯*2，溫度計(jì)，計(jì)時(shí)器，熱水（60℃）、冷水（20℃步驟：1.將水分別倒入水杯，并標(biāo)記熱水、冷水2.將水放入冰箱冷凍層等價(jià)的兩處3.每隔一段時(shí)間測量一次溫度并加以記錄時(shí)間 實(shí)驗(yàn)組冷熱10分鐘后164930分鐘后113260分鐘后61890分鐘后39120分鐘后結(jié)冰4現(xiàn)象：冷水先結(jié)冰。失敗可能原因：定時(shí)觀察可能打破已形成的某種體系，造成每次查看相當(dāng)于將實(shí)驗(yàn)重置，導(dǎo)致失敗。第二次試驗(yàn)材料：帶蓋水杯*2，計(jì)時(shí)器，熱水（60℃）、冷水（20℃步驟：1.先測量好一杯冷水結(jié)冰大約需時(shí)，到時(shí)進(jìn)行比對2.將水分別倒入水杯，并標(biāo)記熱水、冷水3.將水放入冰箱冷凍層等價(jià)的兩處4.倒計(jì)時(shí)100分鐘現(xiàn)象：冷熱水皆產(chǎn)生冰蓋，但冷水冰蓋較厚。失敗可能原因：水杯帶蓋，與蒸發(fā)、溶解氣體等假說中所提環(huán)境沖突，導(dǎo)致失敗。第三次試驗(yàn)材料：一次性紙杯*2，計(jì)時(shí)器，熱水（60℃）、冷水（20℃步驟：1.先測量好一杯冷水結(jié)冰大約需時(shí)，到時(shí)進(jìn)行比對2.將水分別倒入水杯，并標(biāo)記熱水、冷水3.將水放入冰箱冷凍層等價(jià)的兩處4.倒計(jì)時(shí)90分鐘現(xiàn)象：均產(chǎn)生冰蓋，冷水稍厚。失敗可能原因：熱水水溫不夠高（溫差不夠大）。第四次實(shí)驗(yàn)材料：一次性紙杯*2，計(jì)時(shí)器，熱水（60℃）、冷水（20℃步驟：1.先測量好一杯冷水結(jié)冰大約需時(shí)，到時(shí)進(jìn)行比對2.將水分別倒入水杯，并標(biāo)記熱水、冷水3.將水放入冰箱冷凍層等價(jià)的兩處4.倒計(jì)時(shí)90分鐘現(xiàn)象：與上一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象基本相同，但冰蓋厚度無法測量。失敗可能原因：一次性紙杯不透明，無法觀測冰蓋厚度。第五次試驗(yàn)材料：透明玻璃杯*2，計(jì)時(shí)器，熱水（60℃）、冷水（20℃步驟：1.先測量好一杯冷水結(jié)冰大約需時(shí)，到時(shí)進(jìn)行比對2.將水分別倒入水杯，并標(biāo)記熱水、冷水3.將水放入冰箱冷凍層等價(jià)的兩處4.倒計(jì)時(shí)90分鐘現(xiàn)象：觀察到的冷熱水冰蓋厚度相差不大。失敗可能原因：1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡陋2.營造環(huán)境不夠理想。第六次試驗(yàn)材料：兩個(gè)相同規(guī)格的透明玻璃杯，一袋牛奶，溫度計(jì)一支，白糖少許。步驟：1. 取一袋牛奶，加熱至沸騰后加入少許白糖，攪拌。待白糖溶解后停止加熱，將部分牛奶到到已準(zhǔn)備的玻璃杯中，剩余牛奶仍留在鍋中。2.待牛奶涼至室溫后，將鍋中牛奶重新加熱但并不沸騰，想另外的杯子中倒入等量的牛奶。3.使用溫度計(jì)測量兩杯牛奶的溫度，其中熱牛奶59攝氏度，冷牛奶18攝氏度。給兩杯牛奶做上標(biāo)記。4.兩杯牛奶同時(shí)放入冰箱，過一段時(shí)間后再次查看。現(xiàn)象：過兩個(gè)小時(shí)45分鐘后觀察，發(fā)現(xiàn)冷熱牛奶都已結(jié)冰，但冷牛奶明顯比熱牛奶結(jié)冰形成的冰蓋厚且堅(jiān)固，故試驗(yàn)失敗。失敗可能原因：中途多次查看可能會影響水結(jié)冰。第七次實(shí)驗(yàn)材料：透明帶塞試管*2，計(jì)時(shí)器，等量的熱水和冷水，玻璃杯*2步驟：1.在兩個(gè)試管中倒入等量的熱水和冷水，塞上塞子，分別標(biāo)記上熱水和冷水。2.將兩個(gè)試管分別放入玻璃杯中，以方便使其保持直立狀態(tài)，放入冰箱，同時(shí)確保兩玻璃杯保持一定點(diǎn)距離，不會互相影響。3.過一段時(shí)間后查看?，F(xiàn)象：過3小時(shí)20分鐘后查看時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩支試管都已結(jié)冰，但通過翻轉(zhuǎn)試管發(fā)現(xiàn)冰棒中仍然有液態(tài)水的存在。由于外層冰的存在，無法比較兩試管中剩余水量的多少。但是在取出冰棒之后發(fā)現(xiàn)，使用冷水得到的冰棒表面十分光滑，而熱水則可以觀察到很多裂紋。此現(xiàn)象較符合冰蓋說的內(nèi)容，因此推測在結(jié)冰的過程中因溫度差別而導(dǎo)致冰蓋形成的差別可能會有較大的影響。當(dāng)次影響足夠大時(shí)彭巴效應(yīng)就出現(xiàn)了。注明：實(shí)驗(yàn)次數(shù)遠(yuǎn)不止此，操作性失誤的實(shí)驗(yàn)就不再列舉。

關(guān)于彭巴效應(yīng)的探究（中期報(bào)告）作者：高17屆創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)二班周熠真，張孟冬，薛皓晨張文睿，權(quán)一新，邱中昱指導(dǎo)老師：李欣摘要：彭巴（又譯作姆潘巴）一天在制作冰淇淋時(shí)無意中發(fā)現(xiàn)他放入冰箱的熱牛奶結(jié)冰比其它人的快。1969年，他和丹尼斯·奧斯伯恩博士共同撰寫了關(guān)于此現(xiàn)象的一篇論文，因此該現(xiàn)象便以其名字命名。但是至今，對于這一現(xiàn)象仍有多種不同的解釋，甚至對于其成立與否都尚未確定。對此，我們組對于彭巴效應(yīng)親自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對于網(wǎng)絡(luò)上假說在能力范圍內(nèi)進(jìn)行分析和探討。并且使用控制變量法完成了幾回實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)其真?zhèn)巍Ｕ模号戆同F(xiàn)象，又名姆潘巴效應(yīng)，指在同等體積、同等容器和同等冷卻環(huán)境下，溫度較高的液體比溫度略低的液體先結(jié)冰的現(xiàn)象。亞里士多德、培根和笛卡爾均曾以不同的方式描述過該現(xiàn)象，但是均未能引起廣泛的注意。1963年，坦桑尼亞馬干巴中學(xué)的學(xué)生彭巴經(jīng)常與同學(xué)們一起做冰淇淋吃。在做的過程中，他們總是先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷卻后倒入冰格中，再放進(jìn)冰箱冷凍。有一天，當(dāng)彭巴做冰淇淋時(shí)，冰箱冷凍室內(nèi)放冰格的空位已經(jīng)所剩無幾。為了搶占剩下的冰箱空位，彭巴只得急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖，等不及冷卻，就把滾燙的牛奶倒入冰格中，并送入冰箱。一個(gè)半小時(shí)后，彭巴發(fā)現(xiàn)了一個(gè)讓他十分困惑的現(xiàn)象：他放入的熱牛奶已經(jīng)結(jié)成冰，而其他同學(xué)放的冷牛奶還是很稠的液體。照理說，水溫越低，結(jié)冰的速度越快，而牛奶中含有大量的水，應(yīng)該是冷牛奶比熱牛奶結(jié)冰速度快才對，但事實(shí)怎么會顛倒過來了？他先后請教了幾個(gè)物理老師，都沒有得到答案。一位老師感覺他提出的問題怪異得近乎荒唐，就用嘲諷的口吻說：你說的這些就叫做彭巴現(xiàn)象吧！但執(zhí)著的彭巴并沒有認(rèn)為自己的問題很荒唐，他抓住達(dá)累斯薩拉姆大學(xué)物理系主任丹尼斯·奧斯波恩博士到他們學(xué)校訪問的機(jī)會，又提出了自己的疑問。這位博士并沒有對他的問題嗤之以鼻?；氐綄?shí)驗(yàn)室后，博士按照彭巴的陳述做了冷熱牛奶實(shí)驗(yàn)和冷熱水物理實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都觀察到了彭巴所描述的顛覆常識的怪現(xiàn)象。于是，他邀請彭巴和他一起對這個(gè)現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究。1969年，他和奧斯波恩博士共同撰寫了關(guān)于此現(xiàn)象的一篇論文，因此該現(xiàn)象便以彭巴的名字命名。在這里，我們對于網(wǎng)絡(luò)上的幾種熱門解釋進(jìn)行了研究和分析。我們研究的假說有：非等質(zhì)現(xiàn)象說，冰蓋說，凝結(jié)核說。一、非等質(zhì)現(xiàn)象說取兩杯體積相等的水，由于溫差的存在熱水的質(zhì)量一定比冷水少。同時(shí)在降溫的過程中，熱水會因?yàn)闇囟容^高而蒸發(fā)掉比冷水更多的水，這些都導(dǎo)致熱水實(shí)際的質(zhì)量比冷水少，以致熱水降溫、結(jié)冰比冷水更快。以下是網(wǎng)絡(luò)上找到的一些數(shù)據(jù)：一、取兩只相同的直徑為6.5公分、高為9.5公分的塑料杯，各放入160克的水，一個(gè)為100℃開水，另一個(gè)為35℃的冷水，將它們同時(shí)放進(jìn)-18℃的冰箱冷凍室內(nèi)，30分鐘后開水質(zhì)量為155克二、取兩只相同的直徑為25公分、高為3.3公分的金屬盤子，各放入700克的水，一個(gè)為100℃的開水，另一個(gè)為35℃的冷水，將它們同時(shí)放進(jìn)三、在直徑為25公分、高為3.3公分的金屬盤子里，放入880克100℃的開水，將開水放置于29.5℃的屋子內(nèi)（沒有風(fēng)），40分鐘后開水降溫到35℃，質(zhì)量為810克，因蒸發(fā)而失去水分8%；75分鐘后開水降溫到在網(wǎng)絡(luò)上查閱資料后我們得知，要想觀察到熱水先于冷水結(jié)冰的現(xiàn)象，可將同等體積或同等質(zhì)量的熱水和冷水同時(shí)放入溫度從室溫緩慢下降至-18℃但是引用莊子的一句話：“請循其本”。彭巴最初發(fā)現(xiàn)時(shí)是直接將熱牛奶放入冰箱，但以上實(shí)驗(yàn)使彭巴現(xiàn)象發(fā)生的條件是控制冷凍室內(nèi)溫度的下降速度，使其每小時(shí)下降1℃（或每二小時(shí)下降1二、冰蓋說初溫4℃的冷水結(jié)冰要很長時(shí)間，因?yàn)樗菬醾鲗?dǎo)不良的物質(zhì)，液體內(nèi)部的熱量很難依靠傳導(dǎo)而有效地傳遞到表面。杯子里的水由于溫度下降，體積膨脹，密度變小，集結(jié)在上表面。所以水在上表面先結(jié)冰，再向底部和四周延伸，進(jìn)而形成了一個(gè)密閉的“冰殼”初溫100℃的熱水上表面的冰層總不能連成冰蓋，看不到冰殼形成的現(xiàn)象，只是沿冰水的界面向液體內(nèi)生長出針狀的冰晶（在初溫低于12℃時(shí)，看不到這種現(xiàn)象）。初溫較高的水，上層水冷卻后密度變大向下流動，形成了液體內(nèi)部的對流。初溫越高，這種對流越劇烈，能量的損耗也越大，降溫及結(jié)冰速率也就越大。正是由于這種對流，使上層的水不易結(jié)成冰蓋。當(dāng)水面溫度降到但是雖然冰蓋以及對流會對水的降溫及結(jié)冰速率造成影響，但如此大的差別仍然令人難以置信。不過，我們不妨接受這種假說并對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以證明其真?zhèn)?。三、凝結(jié)核說此種假說同時(shí)涉及了過冷現(xiàn)象、凝結(jié)核、微生物，現(xiàn)在一一進(jìn)行解釋。冰的形成其實(shí)是一個(gè)結(jié)晶的過程，如果原本水中已存在結(jié)晶核，低于其標(biāo)準(zhǔn)熔點(diǎn)的水分子就會在核周圍形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)，依附在冰晶上，結(jié)冰的過程就可以進(jìn)行。但有些水太潔凈，缺少這樣的晶核，冰晶就因無處可依附而不能形成，于是即使溫度低于冰點(diǎn)，水仍然會維持在液體的狀態(tài)。此時(shí)如果搖晃水或者加入少量固體顆粒，可以發(fā)現(xiàn)水迅速結(jié)冰并且升溫（仍然不會高于0攝氏度）。某些微生物在熱水中繁殖比冷水中快，這樣熱水中的凝結(jié)核就要比冷水中的凝結(jié)核多得多，冷水產(chǎn)生了微弱的過冷現(xiàn)象，使熱水比冷水先結(jié)冰。但這種假說同樣不適用于彭巴初次發(fā)現(xiàn)時(shí)的情況。彭巴和同學(xué)都是將牛奶煮沸后放入冰箱，這也就意味著牛奶中已經(jīng)消毒不會有大量微生物存在。但這并不意味著這種假說的錯誤，或許仍有某種細(xì)菌對于實(shí)驗(yàn)造成了影響，亦或者是細(xì)菌變成了芽孢存在在沸牛奶中。這些因素都有待實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)：但僅僅分析假說并不能得出正確的結(jié)論。我們組還另外親自做了不同的實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)彭巴效應(yīng)。1.兩杯體積相同的硬水，其中熱水經(jīng)過加熱但未煮沸。一段時(shí)間后，冷水出現(xiàn)了很薄的冰蓋而熱水中沒有。2.兩杯體積相同的硬水，其中熱水經(jīng)過煮沸后摻入冷水控制溫度。一段時(shí)間后，冷水周圍出現(xiàn)極薄的冰蓋而熱水沒有，再靜置一段時(shí)間后，兩杯水均結(jié)冰。3.兩杯體積相同的軟水，熱水經(jīng)過煮沸。一段時(shí)間后，兩杯水均出現(xiàn)冰蓋且未結(jié)冰水體積大致相同。但冰蓋對于水的結(jié)冰影響很大，不能認(rèn)為彭巴效應(yīng)出現(xiàn)。附：資料來源：/link?url=uPxjPUhRmqXkmC-2RLnIE_tVaFxgqerTN6CxMWNvW5d3-oJ8n5vHFL-z98YoMmiXYCnZWrqG0c6T_HPp2xZ9wn-dODVUopwUvfsQoplGQY_/link?url=8cV_TbrCXbRROazLslZwqrEoUT7sOAwbOlgelRIeNgL8g9dRAMHfsFym0oSmMqhabXcglxSuWeL6u5a8QacVfuvbPeTH6O9LpqBsUPwdMuN0Z1NmaMKOGWAJ4qpU7lUCi0QY8yhUVypqvPgQ2vx8rERDcur6LMBC6BwhIbNHjLYX0cdn6OnC4XwQgwLYX5-V/link?url=c2XL8b5kxvtW8OJ68GuiFhChH0okKfPBaGkUHQZBTJQ7wXDwyAKbPARKq70N-oZ34hmLqUr-4tqAsktz-TKkb_/link?url=Q4Z7MWoDjBdkWiL3rQ6bKNfnuPgueZ53_74sUVVkHGAk1Ecxwz7AZPN1lgtgF2WO8N1QG2n_oCKaqDwyuSmGJq/s/blog_5d8b271a0101g1t3.html/news/20131104/290628.htm注：由于打印的緣故，所有照片均為展示。

關(guān)于彭巴效應(yīng)的探究（結(jié)題報(bào)告）作者：高17屆創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)二班周熠真，張孟冬，薛皓晨張文睿，權(quán)一新，邱中昱指導(dǎo)老師：李欣摘要：彭巴（又譯作姆潘巴）一天在制作冰淇淋時(shí)無意中發(fā)現(xiàn)他放入冰箱的熱牛奶結(jié)冰比其它人的快。1969年，他和丹尼斯·奧斯伯恩博士共同撰寫了關(guān)于此現(xiàn)象的一篇論文，因此該現(xiàn)象便以其名字命名。但是至今，對于這一現(xiàn)象仍有多種不同的解釋，甚至對于其成立與否都尚未確定。對此，我們組對于彭巴效應(yīng)親自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對于網(wǎng)絡(luò)上假說在能力范圍內(nèi)進(jìn)行分析和探討。并且使用控制變量法完成了幾回實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)其真?zhèn)?。正文：彭巴現(xiàn)象，又名姆潘巴效應(yīng)，指在同等體積、同等容器和同等冷卻環(huán)境下，溫度較高的液體比溫度略低的液體先結(jié)冰的現(xiàn)象。亞里士多德、培根和笛卡爾均曾以不同的方式描述過該現(xiàn)象，但是均未能引起廣泛的注意。1963年，坦桑尼亞的中學(xué)生彭巴經(jīng)常與同學(xué)們一起做冰淇淋吃。有一天，當(dāng)彭巴做冰淇淋時(shí)，冰箱冷凍室內(nèi)的空位已經(jīng)所剩無幾。為了搶占剩下的冰箱空位，彭巴只得急忙把牛奶煮沸，放入糖，等不及冷卻，就把滾燙的牛奶倒入冰格中。一個(gè)半小時(shí)后，彭巴發(fā)現(xiàn)他放入的熱牛奶已經(jīng)結(jié)成冰，而其他同學(xué)放的冷牛奶還是很稠的液體。照理說，應(yīng)該是冷牛奶比熱牛奶結(jié)冰速度快才對，但事實(shí)怎么會顛倒過來了？他先后請教了幾個(gè)物理老師，都沒有得到答案。一位老師感覺他提出的問題怪異得近乎荒唐，就用嘲諷的口吻說：你說的這些就叫做彭巴現(xiàn)象吧！但執(zhí)著的彭巴并沒有認(rèn)為自己的問題很荒唐，他抓住達(dá)累斯薩拉姆大學(xué)物理系主任丹尼斯·奧斯波恩博士到他們學(xué)校訪問的機(jī)會，又提出了自己的疑問。這位博士并沒有對他的問題嗤之以鼻?；氐綄?shí)驗(yàn)室后，博士按照彭巴的陳述做了冷熱牛奶實(shí)驗(yàn)和冷熱水物理實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都觀察到了彭巴所描述的顛覆常識的怪現(xiàn)象。于是，他邀請彭巴和他一起對這個(gè)現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究。1969年，他和奧斯波恩博士共同撰寫了關(guān)于此現(xiàn)象的一篇論文，因此該現(xiàn)象便以彭巴的名字命名。在這里，我們對于網(wǎng)絡(luò)上的幾種熱門解釋進(jìn)行了研究和分析。我們研究的假說有：非等質(zhì)現(xiàn)象說，冰蓋說，凝結(jié)核說和氫鍵說。一、非等質(zhì)現(xiàn)象說取兩杯體積相等的水，由于溫差的存在熱水的質(zhì)量一定比冷水少。同時(shí)在降溫的過程中，熱水會因?yàn)闇囟容^高而蒸發(fā)掉比冷水更多的水，這些都導(dǎo)致熱水實(shí)際的質(zhì)量比冷水少，以致熱水降溫、結(jié)冰比冷水更快。以下是網(wǎng)絡(luò)上找到的一些數(shù)據(jù)：一、取兩只相同的直徑為6.5公分、高為9.5公分的塑料杯，各放入160克的水，一個(gè)為100℃開水，另一個(gè)為35℃的冷水，將它們同時(shí)放進(jìn)-18℃的冰箱冷凍室內(nèi)，30分鐘后開水質(zhì)量為155克，因蒸發(fā)失去水分3%；冷水質(zhì)量為159克，因蒸發(fā)失去水分0.6%。二、取兩只相同的直徑為25公分、高為3.3公分的金屬盤子，各放入700克的水，一個(gè)為100℃的開水，另一個(gè)為35℃的冷水，將它們同時(shí)放進(jìn)-18℃的冰箱冷凍室內(nèi)，60分鐘后開水因蒸發(fā)失去水分7.5%；冷水因蒸發(fā)失去水分1.4%。在網(wǎng)絡(luò)上查閱資料后我們得知，要想觀察到熱水先于冷水結(jié)冰的現(xiàn)象，可將同等體積或同等質(zhì)量的熱水和冷水同時(shí)放入溫度從室溫緩慢下降至-18℃的冷凍室中。但是彭巴最初發(fā)現(xiàn)時(shí)是直接將熱牛奶放入冰箱，但以上實(shí)驗(yàn)使彭巴現(xiàn)象發(fā)生的條件是控制冷凍室內(nèi)溫度的下降速度，使其每小時(shí)下降1℃，顯然與當(dāng)時(shí)的情況矛盾。況且彭巴最終得到的牛奶量未必會比其他人的少。所以這種假說只能夠解釋一些特定的現(xiàn)象，而無法給出一個(gè)普遍適用解釋。二、冰蓋說初溫4℃的冷水結(jié)冰要很長時(shí)間，因?yàn)樗菬醾鲗?dǎo)不良的物質(zhì)，液體內(nèi)部的熱量很難依靠傳導(dǎo)而有效地傳遞到表面。杯子里的水溫度下降，形成了一個(gè)密閉的“冰殼”。這時(shí)，內(nèi)層的水與外界隔絕，無法通過蒸發(fā)散熱，所以冷卻的速率很小，阻止或延緩了內(nèi)層水溫繼續(xù)下降的正常進(jìn)行。另外由于水結(jié)冰時(shí)體積要膨脹，已經(jīng)形成的冰殼也對進(jìn)一步結(jié)冰起著抑制作用。初溫100℃的熱水上表面的冰層總不能連成冰蓋，看不到冰殼形成的現(xiàn)象，只是沿冰水的界面向液體內(nèi)生長出針狀的冰晶。初溫較高的水，上層水冷卻后密度變大向下流動，形成了液體內(nèi)部的對流。正是由于這種對流，使上層的水不易結(jié)成冰蓋。當(dāng)水面溫度降到0℃以下并有足夠的低溫時(shí)，水面就開始出現(xiàn)冰晶。初溫較高的水，生長冰晶的速度較大。雖然最后冰蓋還是形成了，冷卻速率變小了一些，但由于水內(nèi)部冰晶已經(jīng)生長而且粗大，具有較大的表面積，所以生長速度仍然要比初溫低的水快得多。在實(shí)驗(yàn)中，確實(shí)出現(xiàn)了熱水結(jié)的冰中有大量裂紋，而冷水結(jié)冰十分光滑，因此推測在結(jié)冰的過程中因溫度差別而導(dǎo)致冰蓋形成的差別可能會有較大的影響。當(dāng)次影響足夠大時(shí)彭巴效應(yīng)就出現(xiàn)了。三、凝結(jié)核說此種假說同時(shí)涉及了過冷現(xiàn)象、凝結(jié)核、微生物，現(xiàn)在一一進(jìn)行解釋。冰的形成其實(shí)是一個(gè)結(jié)晶的過程，如果原本水中已存在結(jié)晶核，低于其標(biāo)準(zhǔn)熔點(diǎn)的水分子就會在核周圍形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)，依附在冰晶上，結(jié)冰的過程就可以進(jìn)行。但有些水太潔凈，缺少這樣的晶核，冰晶就因無處可依附而不能形成，于是即使溫度低于冰點(diǎn)，水仍然會維持在液體的狀態(tài)。此時(shí)如果搖晃水或者加入少量固體顆粒，可以發(fā)現(xiàn)水迅速結(jié)冰并且升溫（仍然不會高于0攝氏度）。某些微生物在熱水中繁殖比冷水中快，這樣熱水中的凝結(jié)核就要比冷水中的凝結(jié)核多得多，冷水產(chǎn)生了微弱的過冷現(xiàn)象，使熱水比冷水先結(jié)冰。但這種假說同樣不適用于彭巴初次發(fā)現(xiàn)時(shí)的情況。彭巴和同學(xué)都是將牛奶煮沸后放入冰箱，這也就意味著牛奶中已經(jīng)消毒不會有大量微生物存在。但這并不意味著這種假說的錯誤，或許仍有某種細(xì)菌對于實(shí)驗(yàn)造成了影響，亦或者是細(xì)