關(guān)于彭巴效應(yīng)的探究(研究性學習)

關(guān)于彭巴效應(yīng)的探究高17屆創(chuàng)新實驗二班周熠真，張孟冬，薛皓晨張文睿，權(quán)一新，邱中昱指導老師：李欣前言有一個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，但至今仍是一個未解之謎。英國皇家化學學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、不承認它的存在。它就是彭巴效應(yīng)，一個違背了常識的效應(yīng)。解決它，絕不能僅僅把它放在書本中——當作平時的作業(yè)來解決，而是要走進“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)實驗…………10HYPERLINK中期報告…………14HYPERLINK結(jié)題報告…………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三年級的學生彭巴經(jīng)常與同學們一起做冰淇淋吃。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，再放進冰箱冷凍。有一天，當彭巴做冰淇淋時，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。一個半小時后，彭巴發(fā)現(xiàn)了一個讓他十分困惑的現(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，但事實怎么會顛倒過來了？彭巴把這個疑惑從初中帶到了高中。他先后請教了幾個物理老師，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)著的彭巴并沒有認為自己的問題很荒唐，他抓住達累斯薩拉姆大學物理系系主任奧斯波恩博士到他們學校訪問的機會，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。回到實驗室后，博士按照彭巴的陳述做了冷熱牛奶實驗和冷熱水物理實驗，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現(xiàn)象進行了深入研究。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，許多論文與實驗試圖證實這個現(xiàn)象背后的原理，但由于缺乏科學實驗數(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、親自試驗和分析試驗。進行此次研究性學習，有助于提高小組成員思考的能力，增強動手能力，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，增強判斷力，同時對于物理學中的控制變量法進行實踐。

資料一（硬水論）美國華盛頓大學的喬納森·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，這種現(xiàn)象不但真實存在，而且造成這種現(xiàn)象發(fā)生的鬼怪也是真實存在的。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)。而水在達到沸點以后，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，使得硬水的冰點要比被加熱后的軟水冰點升高一些，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，會使雪的冰點升高，這樣，雪結(jié)冰的過程就拉長了。但僅憑這個發(fā)現(xiàn)還不能直接破解彭巴效應(yīng)，因為彭巴的同學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際要比冷牛奶的硬度要低一點，這個硬度的差異造成了它們冰點的差異，硬度較高的冷牛奶冰點相對要高些。這樣，冰點略低的熱牛奶自然要比冰點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制：輻射、傳導、汽化、對流。通過實驗觀察并對結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)引起熱水比冷水先結(jié)冰的原因主要是傳導、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)冰要很長時間，因為水和玻璃都是熱傳導不良的材料，液體內(nèi)部的熱量很難依靠傳導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，進而形成了一個密閉的“冰殼”。這時，內(nèi)層的水與外界的空氣隔絕，只能依靠傳導和輻射來散熱，所以冷卻的速率很小，阻止或延緩了內(nèi)層水溫繼續(xù)下降的正常進行。另外由于水結(jié)冰時體積要膨脹，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，看不到這種現(xiàn)象）。隨著時間的流逝，冰晶由細變粗，這是因為初溫高的熱水，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，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，在單位時間內(nèi)的內(nèi)能損耗較大，冷卻速率較大。當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”。生物實驗發(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）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。同時在降溫的過程中，熱水會因為溫度較高而蒸發(fā)掉比冷水更多的水，這些都導致熱水實際的質(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，一個為100℃開水，另一個為35℃的冷水，將它們同時放進-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，一個為100℃的開水，另一個為35℃的冷水，將它們同時放進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），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）南洋理工大學認為氫鍵給了水分子諸多特殊的性質(zhì)，如沸點較其他類似組成的液體高，即是因為氫鍵雖然比共價鍵弱，卻比分子間的作用力范德華力強，使水分子能夠聚合得更牢固。彭巴效應(yīng)也可由此解釋，研究團隊指出，氫鍵將水分子拉近，卻也導致它們之間的斥力增大，這時氫鍵便會通過伸展來儲存能量。當液體溫度上升時，水分子距離增大、氫鍵通過延展儲蓄能量；而溫度下降時，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溫度（比如冰點）冷卻時，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，其對于水冰點的影響較小可忽略不計，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，硬水論認為熱牛奶液體的硬度實際要比冷牛奶的硬度要低，導致彭巴效應(yīng)的產(chǎn)生。但在熱牛奶溫度降低的同時，硬度也會再次上升，故熱牛奶的冰點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)容同時解釋了冬天河流只有表面結(jié)冰的原因，突出強調(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)生影響時彭巴效應(yīng)已經(jīng)發(fā)生。而在家中親自做的實驗下，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，兩者冰點不同導致熱水先結(jié)冰。但微生物說對于彭巴初次的牛奶試驗并不適用。其他同學的牛奶自然冷卻微生物應(yīng)當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。同時在冷卻過程中，熱水會蒸發(fā)量比冷水更多。以上兩點因素綜合考慮，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是一個由實驗直接測得的數(shù)據(jù)，因而其中包括了氫鍵等其他因素。所以熱水實際需要釋放的熱量還是很多。同時根據(jù)假說的要點，可以通過對具有氫鍵的其他液體進行試驗以檢驗其真?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)實驗第一次試驗材料：帶蓋水杯*2，溫度計，計時器，熱水（60℃）、冷水（20℃步驟：1.將水分別倒入水杯，并標記熱水、冷水2.將水放入冰箱冷凍層等價的兩處3.每隔一段時間測量一次溫度并加以記錄時間 實驗組冷熱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：定時觀察可能打破已形成的某種體系，造成每次查看相當于將實驗重置，導致失敗。第二次試驗材料：帶蓋水杯*2，計時器，熱水（60℃）、冷水（20℃步驟：1.先測量好一杯冷水結(jié)冰大約需時，到時進行比對2.將水分別倒入水杯，并標記熱水、冷水3.將水放入冰箱冷凍層等價的兩處4.倒計時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，導致失敗。第三次試驗材料：一次性紙杯*2，計時器，熱水（60℃）、冷水（20℃步驟：1.先測量好一杯冷水結(jié)冰大約需時，到時進行比對2.將水分別倒入水杯，并標記熱水、冷水3.將水放入冰箱冷凍層等價的兩處4.倒計時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）。第四次實驗材料：一次性紙杯*2，計時器，熱水（60℃）、冷水（20℃步驟：1.先測量好一杯冷水結(jié)冰大約需時，到時進行比對2.將水分別倒入水杯，并標記熱水、冷水3.將水放入冰箱冷凍層等價的兩處4.倒計時90分鐘現(xiàn)象：與上一實驗現(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。第五次試驗材料：透明玻璃杯*2，計時器，熱水（60℃）、冷水（20℃步驟：1.先測量好一杯冷水結(jié)冰大約需時，到時進行比對2.將水分別倒入水杯，并標記熱水、冷水3.將水放入冰箱冷凍層等價的兩處4.倒計時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.實驗設(shè)備簡陋2.營造環(huán)境不夠理想。第六次試驗材料：兩個相同規(guī)格的透明玻璃杯，一袋牛奶，溫度計一支，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。給兩杯牛奶做上標記。4.兩杯牛奶同時放入冰箱，過一段時間后再次查看?，F(xiàn)象：過兩個小時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固，故試驗失敗。失敗可能原因：中途多次查看可能會影響水結(jié)冰。第七次實驗材料：透明帶塞試管*2，計時器，等量的熱水和冷水，玻璃杯*2步驟：1.在兩個試管中倒入等量的熱水和冷水，塞上塞子，分別標記上熱水和冷水。2.將兩個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，同時確保兩玻璃杯保持一定點距離，不會互相影響。3.過一段時間后查看?，F(xiàn)象：過3小時20分鐘后查看時發(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致冰蓋形成的差別可能會有較大的影響。當次影響足夠大時彭巴效應(yīng)就出現(xiàn)了。注明：實驗次數(shù)遠不止此，操作性失誤的實驗就不再列舉。

關(guān)于彭巴效應(yīng)的探究（中期報告）作者：高17屆創(chuàng)新實驗二班周熠真，張孟冬，薛皓晨張文睿，權(quán)一新，邱中昱指導老師：李欣摘要：彭巴（又譯作姆潘巴）一天在制作冰淇淋時無意中發(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)親自進行實驗并對于網(wǎng)絡(luò)上假說在能力范圍內(nèi)進行分析和探討。并且使用控制變量法完成了幾回實驗，以檢驗其真?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，坦桑尼亞馬干巴中學的學生彭巴經(jīng)常與同學們一起做冰淇淋吃。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，再放進冰箱冷凍。有一天，當彭巴做冰淇淋時，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。一個半小時后，彭巴發(fā)現(xiàn)了一個讓他十分困惑的現(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，但事實怎么會顛倒過來了？他先后請教了幾個物理老師，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)著的彭巴并沒有認為自己的問題很荒唐，他抓住達累斯薩拉姆大學物理系主任丹尼斯·奧斯波恩博士到他們學校訪問的機會，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?；氐綄嶒炇液?，博士按照彭巴的陳述做了冷熱牛奶實驗和冷熱水物理實驗，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現(xiàn)象進行了深入研究。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。同時在降溫的過程中，熱水會因為溫度較高而蒸發(fā)掉比冷水更多的水，這些都導致熱水實際的質(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，一個為100℃開水，另一個為35℃的冷水，將它們同時放進-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，一個為100℃的開水，另一個為35℃的冷水，將它們同時放進三、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），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)時是直接將熱牛奶放入冰箱，但以上實驗使彭巴現(xiàn)象發(fā)生的條件是控制冷凍室內(nèi)溫度的下降速度，使其每小時下降1℃（或每二小時下降1二、冰蓋說初溫4℃的冷水結(jié)冰要很長時間，因為水是熱傳導不良的物質(zhì)，液體內(nèi)部的熱量很難依靠傳導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，進而形成了一個密閉的“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，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行實驗以證明其真?zhèn)?。三、凝結(jié)核說此種假說同時涉及了過冷現(xiàn)象、凝結(jié)核、微生物，現(xiàn)在一一進行解釋。冰的形成其實是一個結(jié)晶的過程，如果原本水中已存在結(jié)晶核，低于其標準熔點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，水仍然會維持在液體的狀態(tài)。此時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)時的情況。彭巴和同學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，或許仍有某種細菌對于實驗造成了影響，亦或者是細菌變成了芽孢存在在沸牛奶中。這些因素都有待實驗的驗證。實驗：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驗，以檢驗彭巴效應(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)題報告）作者：高17屆創(chuàng)新實驗二班周熠真，張孟冬，薛皓晨張文睿，權(quán)一新，邱中昱指導老師：李欣摘要：彭巴（又譯作姆潘巴）一天在制作冰淇淋時無意中發(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)親自進行實驗并對于網(wǎng)絡(luò)上假說在能力范圍內(nèi)進行分析和探討。并且使用控制變量法完成了幾回實驗，以檢驗其真?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，坦桑尼亞的中學生彭巴經(jīng)常與同學們一起做冰淇淋吃。有一天，當彭巴做冰淇淋時，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。一個半小時后，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，但事實怎么會顛倒過來了？他先后請教了幾個物理老師，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)著的彭巴并沒有認為自己的問題很荒唐，他抓住達累斯薩拉姆大學物理系主任丹尼斯·奧斯波恩博士到他們學校訪問的機會，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?；氐綄嶒炇液?，博士按照彭巴的陳述做了冷熱牛奶實驗和冷熱水物理實驗，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現(xiàn)象進行了深入研究。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。同時在降溫的過程中，熱水會因為溫度較高而蒸發(fā)掉比冷水更多的水，這些都導致熱水實際的質(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，一個為100℃開水，另一個為35℃的冷水，將它們同時放進-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，一個為100℃的開水，另一個為35℃的冷水，將它們同時放進-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)時是直接將熱牛奶放入冰箱，但以上實驗使彭巴現(xiàn)象發(fā)生的條件是控制冷凍室內(nèi)溫度的下降速度，使其每小時下降1℃，顯然與當時的情況矛盾。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，而無法給出一個普遍適用解釋。二、冰蓋說初溫4℃的冷水結(jié)冰要很長時間，因為水是熱傳導不良的物質(zhì)，液體內(nèi)部的熱量很難依靠傳導而有效地傳遞到表面。杯子里的水溫度下降，形成了一個密閉的“冰殼”。這時，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)下降的正常進行。另外由于水結(jié)冰時體積要膨脹，已經(jīng)形成的冰殼也對進一步結(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。當水面溫度降到0℃以下并有足夠的低溫時，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。在實驗中，確實出現(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致冰蓋形成的差別可能會有較大的影響。當次影響足夠大時彭巴效應(yīng)就出現(xiàn)了。三、凝結(jié)核說此種假說同時涉及了過冷現(xiàn)象、凝結(jié)核、微生物，現(xiàn)在一一進行解釋。冰的形成其實是一個結(jié)晶的過程，如果原本水中已存在結(jié)晶核，低于其標準熔點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，水仍然會維持在液體的狀態(tài)。此時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)時的情況。彭巴和同學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，或許仍有某種細菌對于實驗造成了影響，亦或者是細