关于彭巴效应的探究研究性学习分析Word文件下载.docx
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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（DenisG.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、对流。
通过实验观察并对结果进行比较，发现引起热水比冷水先结冰的原因主要是传导、汽化、对流三者相互作用的综合效果。
如果把热水和冷水结冰的过程叙述出来并分析其原因就更能说明问题了：
盛有初温4℃冷水的杯，结冰要很长时间，因为水和玻璃都是热传导不良的材料，液体内部的热量很难依靠传导而有效地传递到表面。
杯子里的水由于温度下降，体积膨胀，密度变小，集结在表面。
所以水在表面处最先结冰，其次是向底部和四周延伸，进而形成了一个密闭的“冰壳”。
这时，内层的水与外界的空气隔绝，只能依靠传导和辐射来散热，所以冷却的速率很小，阻止或延缓了内层水温继续下降的正常进行。
另外由于水结冰时体积要膨胀，已经形成的“冰壳”也对进一步结冰起着某种约束或抑制作用。
盛有初温100℃热水的杯，冷冻的时间相对来说要少得多，看到的现象是表面的冰层总不能连成冰盖，看不到“冰壳”形成的现象，只是沿冰水的界面向液体内生长出针状的冰晶（在初温低于12℃时，看不到这种现象）。
随着时间的流逝，冰晶由细变粗，这是因为初温高的热水，上层水冷却后密度变大向下流动，形成了液体内部的对流，使水分子围绕着各自的“结晶中心”结成冰。
初温越高，这种对流越剧烈，能量的损耗也越大，正是这种对流，使上层的水不易结成冰盖。
由于热传递和相变潜热，在单位时间内的内能损耗较大，冷却速率较大。
当水面温度降到0℃以下并有足够的低温时，水面就开始出现冰晶。
初温较高的水，生长冰晶的速度较大，这是由于冰盖未形成和对流剧烈的缘故，最后可以观察到冰盖还是形成了，冷却速率变小了一些，但由于水内部冰晶已经生长而且粗大，具有较大的表面能，冰晶的生长速率与单位表面能成正比，所以生长速度仍然要比初温低的水快得多。
资料三（微生物说）
同雨滴的形成需要“凝结核”一样，水要结成冰，需要水中有许许多多的“结晶中心”。
生物实验发现，水中的微生物往往是结晶中心。
围绕“结晶中心”生长出子晶，子晶是外延结晶的晶核。
对流又使各种取向的分子流过子晶，依靠晶体表面的分子力，抓住合适取向的水分子，外延生长出分子作有序排列的许多晶粒，悬浮在水中。
结晶释放的能量则通过对流放出，而各相邻的冰粒又连结成冰，直到水全部冻结为止。
某些微生物在热水（水温在100℃以下一点）中繁殖比冷水中快，这样一来，热水中的“结晶中心”就要比冷水中的“结晶中心”多得多，加速了热水结冰的协同作用。
这样热水中的凝结核就要比冷水中的凝结核多得多，冷水产生了微弱的过冷现象，使热水比冷水先结冰。
资料四（非等质现象）
取两杯体积相等的水，由于热水密度比冷水小，热水的质量一定比冷水少。
同时在降温的过程中，热水会因为温度较高而蒸发掉比冷水更多的水，这些都导致热水实际的质量比冷水少，以致热水降温、结冰比冷水更快。
以下是网络上找到的一些数据：
1.取两只相同的直径为6.5公分、高为9.5公分的塑料杯，各放入160克的水，一个为100℃开水，另一个为35℃的冷水，将它们同时放进-18℃的冰箱冷冻室内，30分钟后开水质量为155克，因蒸发失去水分3%；
冷水质量为159克，因蒸发失去水分0.6%。
2.取两只相同的直径为25公分、高为3.3公分的金属盘子，各放入700克的水，一个为100℃的开水，另一个为35℃的冷水，将它们同时放进-18℃的冰箱冷冻室内，60分钟后开水因蒸发失去水分7.5%；
冷水因蒸发失去水分1.4%。
3.在直径为25公分、高为3.3公分的金属盘子里，放入880克100℃的开水，将开水放置于29.5℃的屋子内（没有风），40分钟后开水降温到35℃，质量为810克，因蒸发而失去水分8%；
75分钟后开水降温到31℃，质量为805克，因蒸发而失去水分8.5%。
资料五（氢键说）
南洋理工大学认为氢键给了水分子诸多特殊的性质，如沸点较其他类似组成的液体高，即是因为氢键虽然比共价键弱，却比分子间的作用力范德华力强，使水分子能够聚合得更牢固。
彭巴效应也可由此解释，研究团队指出，氢键将水分子拉近，却也导致它们之间的斥力增大，这时氢键便会通过伸展来储存能量。
当液体温度上升时，水分子距离增大、氢键通过延展储蓄能量；
而温度下降时，氢键随之缩短，迅速释放出能量冷却下来。
氢键储存能量。
高温水在向同一目标温度（比如冰点）冷却时，会比低温水从氢键中释放出更多的能量，所以，热水比冷水凝固的快。
资料分析
资料一（硬水论）：
该种假说主要指热水经过煮沸而硬度降低，致使硬度低的热水比硬度高的冷水冰点高，从而减缓了硬水结冰的速度。
但冷热水间软硬程度差别不会很大，其对于水冰点的影响较小可忽略不计，况且网络中有使用软水出现彭巴效应的例子，并不符合硬水论。
同时，硬水论认为热牛奶液体的硬度实际要比冷牛奶的硬度要低，导致彭巴效应的产生。
但在热牛奶温度降低的同时，硬度也会再次上升，故热牛奶的冰点在仅考虑硬水论的情况下与冷牛奶相同，此种解释难以让人信服。
资料二（冰盖说）：
冰盖说的内容同时解释了冬天河流只有表面结冰的原因，突出强调了外层冰对于内层水的保温隔热作用，延缓了内部水的结冰。
但彭巴效应指热水比冷水先结冰，即先出现并而并非先全部结冰，故冰盖说开始发生影响时彭巴效应已经发生。
而在家中亲自做的实验下，虽没有出现彭巴效应，但热水同样也出现了冰盖包裹在周围。
资料三（微生物说）：
微生物说同时涉及到了凝结核和过冷现象，作为凝结核的微生物在热水中大量繁殖，冷水中则出现了微弱的过冷现象，两者冰点不同导致热水先结冰。
但微生物说对于彭巴初次的牛奶试验并不适用。
其他同学的牛奶自然冷却微生物应当比彭巴的直接放入冰箱的牛奶多，况且制作冰淇淋前的煮沸正是为了杀菌，那么牛奶中的微生物根本不可能大量繁殖。
资料四（非等质现象）：
非等质现象发现了彭巴效应中定义的疏漏：
温度不同的水在常温下不可能同时满足质量相等和以及相等。
那么看着体积相同的水，由于密度的影响，热水的质量小于冷水。
同时在冷却过程中，热水会蒸发量比冷水更多。
以上两点因素综合考虑，热水先于冷水结冰。
但初始质量差和蒸发对于热水影响颇小，温度差还是占有主导地位，因此未必会是彭巴效应的决定因素。
水中的氢键使水有很多特殊的性质，氢键的具体内容无需再次叙述。
然而，根据比热容的公式Q=cmΔT，比热容c是一个由实验直接测得的数据，因而其中包括了氢键等其他因素。
所以热水实际需要释放的热量还是很多。
同时根据假说的要点，可以通过对具有氢键的其他液体进行试验以检验其真伪。
以上仅仅是我们在种种假说中找到的弊端，但并不代表以上假说一定不成立，对于以上弊端，我们尚可寻找解释方法，亦或者由此发现新的假说。
相关实验
第一次试验
材料：
带盖水杯*2，温度计，计时器，热水（60℃）、冷水（20℃）各50g
步骤：
1.将水分别倒入水杯，并标记热水、冷水
2.将水放入冰箱冷冻层等价的两处
3.每隔一段时间测量一次温度并加以记录
时间实验组
冷
热
10分钟后
16℃
49℃
30分钟后
11℃
32℃
60分钟后
6℃
18℃
90分钟后
3℃
9℃
120分钟后
结冰
4℃
现象：
冷水先结冰。
失败可能原因：
定时观察可能打破已形成的某种体系，造成每次查看相当于将实验重置，导致失败。
第二次试验
带盖水杯*2，计时器，热水（60℃）、冷水（20℃）各50g
1.先测量好一杯冷水结冰大约需时，到时进行比对
2.将水分别倒入水杯，并标记热水、冷水
3.将水放入冰箱冷冻层等价的两处
4.倒计时100分钟
冷热水皆产生冰盖，但冷水冰盖较厚。
水杯带盖，与蒸发、溶解气体等假说中所提环境冲突，导致失败。
第三次试验
一次性纸杯*2，计时器，热水（60℃）、冷水（20℃）各50g
4.倒计时90分钟
均产生冰盖，冷水稍厚。
热水水温不够高（温差不够大）。
第四次实验
与上一实验现象基本相同，但冰盖厚度无法测量。
一次性纸杯不透明，无法观测冰盖厚度。
第五次试验
透明玻璃杯*2，计时器，热水（60℃）、冷水（20℃）各50g
观察到的冷热水冰盖厚度相差不大。
1.实验设备简陋2.营造环境不够理想。
第六次试验
两个相同规格的透明玻璃杯，一袋牛奶，温度计一支，白糖少许。
1.取一袋牛奶，加热至沸腾后加入少许白糖，搅拌。
待白糖溶解后停止加热，将部分牛奶到到已准备的玻璃杯中，剩余牛奶仍留在锅中。
2.待牛奶凉至室温后，将锅中牛奶重新加热但并不沸腾，想另外的杯子中倒入等量的牛奶。
3.使用温度计测量两杯牛奶的温度，其中热牛奶59摄氏度，冷牛奶18摄氏度。
给两杯牛奶做上标记。
4.两杯牛奶同时放入冰箱，过一段时间后再次查看。
过两个小时45分钟后观察，发现冷热牛奶都已结冰，但冷牛奶明显比热牛奶结冰形成的冰盖厚且坚固，故试验失败。
中途多次查看可能会影响水结冰。
第七次实验
透明带塞试管*2，计时器，等量的热水和冷水，玻璃杯*2
1.在两个试管中倒入等量的热水和冷水，塞上塞子，分别标记上热水和冷水。
2.将两个试管分别放入玻璃杯中，以方便使其保持直立状态，放入冰箱，同时确保两玻璃杯保持一定点距离，不会互相影响。
3.过一段时间后查看。
过3小时20分钟后查看时发现，两支试管都已结冰，但通过翻转试管发现冰棒中仍然有液态水的存在。
由于外层冰的存在，无法比较两试管中剩余水量的多少。
但是在取出冰棒之后发现，使用冷水得到的冰棒表面十分光滑，而热水则可以观察到很多裂纹。
此现象较符合冰盖说的内容，因此推测在结冰的过程中因温度差别而导致冰盖形成的差别可能会有较大的影响。
当次影响足够大时彭巴效应就出现了。
注明：
实验次数远不止此，操作性失误的实验就不再列举。
关于彭巴效应的探究（中期报告）
作者：
摘要：
彭巴（又译作姆潘巴）一天在制作冰淇淋时无意中发现他放入冰箱的热牛奶结冰比其它人的快。
奥斯伯恩博士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。
但是至今，对于这一现象仍有多种不同的解释，甚至对于其成立与否都尚未确定。
对此，我们组对于彭巴效应亲自进行实验并对于网络上假说在能力范围内进行分析和探讨。
并且使用控制变量法完成了几回实验，以检验其真伪。
正文：
彭巴现象，又名姆潘巴效应，指在同等体积、同等容器和同等冷却环境下，温度较高的液体比温度略低的液体先结冰的现象。
1963年，坦桑尼亚马干巴中学的学生彭巴经常与同学们一起做冰淇淋吃。
你说的这些就叫做彭巴现象吧！
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主任丹尼斯·
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。
1969年，他和奥斯波恩博士共同撰写了关于此现象的一篇论文，因此该现象便以彭巴的名字命名。
在这里，我们对于网络上的几种热门解释进行了研究和分析。
我们研究的假说有：
非等质现象说，冰盖说，凝结核说。
一、非等质现象说
取两杯体积相等的水，由于温差的存在热水的质量一定比冷水少。
一、取两只相同的直径为6.5公分、高为9.5公分的塑料杯，各放入160克的水，一个为100℃开水，另一个为35℃的冷水，将它们同时放进-18℃的冰箱冷冻室内，30分钟后开水质量为155克，因蒸发失去水分3%；
冷水质量为159克，因蒸发失去水分0.6%。
二、取两只相同的直径为25公分、高为3.3公分的金属盘子，各放入700克的水，一个为100℃的开水，另一个为35℃的冷水，将它们同时放进-18℃的冰箱冷冻室内，60分钟后开水因蒸发失去水分7.5%；
冷水因蒸发失去水分1.4%。
三、在直径为25公分、高为3.3公分的金属盘子里，放入880克100℃的开水，将开水放置于29.5℃的屋子内（没有风），40分钟后开水降温到35℃，质量为810克，因蒸发而失去水分8%；
75分钟后开水降温到31℃，质量为805克，因蒸发而失去水分8.5%。
在网络上查阅资料后我们得知，要想观察到热水先于冷水结冰的现象，可将同等体积或同等质量的热水和冷水同时放入温度从室温缓慢下降至-18℃的冷冻室中。
但是引用庄子的一句话：
“请循其本”。
彭巴最初发现时是直接将热牛奶放入冰箱，但以上实验使彭巴现象发生的条件是控制冷冻室内温度的下降速度，使其每小时下降1℃（或每二小时下降1℃），显然与当时的情况矛盾。
况且彭巴最终得到的牛奶量未必会比其他人的少。
所以这种假说只能够解释一些特定的现象，而无法给出一个普遍适用解释。
二、冰盖说
初温4℃的冷水结冰要很长时间，因为水是热传导不良的物质，液体内部的热量很难依靠传导而有效地传递到表面。
杯子里的水由于温度下降，体积膨胀，密度变小，集结在上表面。
所以水在上表面先结冰，再向底部和四周延伸，进而形成了一个密闭的“冰壳”。
这时，内层的水与外界隔绝，无法通过蒸发散热，所以冷却的速率很小，阻止或延缓了内层水温继续下降的正常进行。
另外由于水结冰时体积要膨胀，已经形成的冰壳也对进一步结冰起着抑制作用。
初温100℃的热水上表面的冰层总不能连成冰盖，看不到冰壳形成的现象，只是沿冰水的界面向液体内生长出针状的冰晶（在初温低于12℃时，看不到这种现象）。
初温较高的水，上层水冷却后密度变大向下流动，形成了液体内部的对流。
初温越高，这种对流越剧烈，能量的损耗也越大，降温及结冰速率也就越大。
正是由于这种对流，使上层的水不易结成冰盖。
初温较高的水，生长冰晶的速度较大，这是因为上文提到的对流使冰晶周围单位时间内通过的各种取向的水分子增多，通过的合适取向的水分子增多，使冰晶生长更快。
虽然最后冰盖还是形成了，冷却速率变小了一些，但由于水内部冰晶已经生长而且粗大，具有较大的表面积，冰晶的生长速率与单位表面积成正比，所以生长速度仍然要比初温低的水快得多。
但是虽然冰盖以及对流会对水的降温及结冰速率造成影响，但如此大的差别仍然令人难以置信。
不过，我们不妨接受这种假说并对其进行实验以证明其真伪。
三、凝结核说
此种假说同时涉及了过冷现象、凝结核、微生物，现在一一进行解释。
冰的形成其实是一个结晶的过程，如果原本水中已存在结晶核，低于其标准熔点的水分子就会在核周围形成结晶结构，依附在冰晶上，结冰的过程就可以进行。
但有些水太洁净，缺少这样的晶核，冰晶就因无处可依附而不能形成，于是即使温度低于冰点，水仍然会维持在液体的状态。
此时如果摇晃水或者加入少量固体颗粒，可以发现水迅速结冰并且升温（仍然不会高于0摄氏度）。
某些微生物在热水中繁殖比冷水中快，这样热水中的凝结核就要比冷水中的凝结核多得多，冷水产生了微弱的过冷现象，使热水比冷水先结冰。
但这种假说同样不适用于彭巴初次发现时的情况。
彭巴和同学都是将牛奶煮沸后放入冰箱，这也就意味着牛奶中已经消毒不会有大量微生物存在。
但这并不意味着这种假说的错误，或许仍有某种细菌对于实验造成了影响，亦或者是细菌变成了芽孢存在在沸牛奶中。
这些因素都有待实验的验证。
实验：
但仅仅分析假说并不能得出正确的结论。
我们组还另外亲自做了不同的实验，以检验彭巴效应。
1.两杯体积相同的硬水，其中热水经过加热但未煮沸。
一段时间后，冷水出现了很薄的冰盖而热水中没有。
2.两杯体积相同的硬水，其中热水经过煮沸后掺入冷水控制温度。
一段时间后，冷水周围出现极薄的冰盖而热水没有，再静置一段时间后，两杯水均结冰。
3.两杯体积相同的软水，热水经过煮沸。
一段时间后，两杯水均出现冰盖且未结冰水体积大致相同。
但冰盖对于水的结冰影响很大，不能认为彭巴效应出现。
附：
资料来源：
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