验证姆潘巴现象

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这个现象大家一定已经有所耳闻，以前大科技上也曾经有过相关的解释，但是我在不同的书上又看到许多不同的解释，于是乎，我有一个我们自己来验证的想法，虽然我们不一定成功，但是我们竭尽所能



简介
姆潘巴现象（Mupainmubar effect），又名姆佩姆巴效应，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姆潘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，当姆潘巴做冰淇淋时，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，姆潘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，姆潘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？姆潘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：你说的这些就叫做姆潘巴现象吧！但执着的姆潘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，博士按照姆潘巴的陈述做了冷热牛奶实验和冷热水物理实验，结果都观察到了姆潘巴所描述的颠覆常识的怪现象。于是，他邀请姆潘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（Denis G. 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。

　　“姆潘巴现象”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。

[ 本帖最后由 3.141592653 于 2008-6-22 10:52 编辑 ]

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难以解释的现象

　　最先肯定“姆潘巴现象”存在的那位博士在对其进行细致研究过程中发现，当把热水放入电冰箱冷却的最初时刻，热水水体的上表面与底部不存在温度差，但一经急剧冷却，温度差就立即出现，其中初温为70℃的热水内产生的高低温度差接近14℃，而初温为47℃的热水内产生的高低温度差只有10℃。这说明在冻结前的降温过程中，较热的液体的温度差在一段时间里大于相对较冷的液体的温度差。但为什么温差大的水要先冻结呢？这只能有一种解释比较合理，那就是水体上表面的温度愈高，从上表面散发的热量就愈多，因而降温就愈快，冻结也就愈快。这便是热牛奶比冷牛奶先结冰的秘密。

　　但后来其他研究人员的实验和上面的实验结果就不大相同了。有研究人员用纯净水反复做了类似实验，结果始终没有发现“姆潘巴现象”。还有对此感兴趣的研究者通过实验证实，只有当冰箱内有显著温差、或牛奶含糖量不同、或糖没有溶解、或做冰淇淋的液体中含有较多淀粉等非液体成分时，“姆潘巴现象”才会出现。这就是说“姆潘巴现象”是个别现象，其所包含的物理现象并不能否定我们的常识。

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硬物作怪

　　最近 , 美国华盛顿大学的乔纳森•卡茨通过对姆潘巴现象的深人研究 , 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"。

　　在破解姆潘巴现象的过程中 , 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硬物 ——碳酸钙和碳酸镜等碳酸盐会 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低一些 , 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 , 会使雪的冰点降低 , 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姆潘巴现象, 因为姆潘巴的同学们在做冰棋淋的过程 中 , 都先把生牛奶煮熟了。那为 什么姆潘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 : 为了吃到可口的冰漠淋 , 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低些。这样 , 冰点略高的热牛奶自然要比冰点略低的冷牛奶要 先结冰了。

　　当然 , 还有另外一个原因能够降低低温水的结冰速度 , 因为实验证明 , 热量从水中流失的速度取决于温差 , 就是说在同样的低温环境里 , 温度相对较高的水比温度相对较低的水散热速度要快一些。换成牛奶 , 道理也是一 样。

　　那么为什么在众多实验中 , 姆潘巴现象不会每次都出现 ? 卡茨认为 , 原因就在于试验者一开始用的就是软水。用同样的软水来做冷热实验 , 由于水的冰点都一样 , 而且散热速度的快慢对结冰速度的影响很微弱 , 所以 姆潘巴现象就不那么显而易 见了。

　　有科学家指出 , 卡茨的发现很可能不是姆潘巴现象的终极答案 , 但和目前现有的各种答案相比 , 这个答案还是最有说服力的。

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姆潘巴现象产生的原因：

1.冰箱温度并不均匀，如果姆潘巴将其冰盒正巧放在冷却管附近，甚至与冷却管相接触，完全有可能热牛奶比冷牛奶先结冰；

2.如果姆潘巴不喜欢吃甜，在冰淇淋中少放了糖，或者因为匆忙没来得及搅拌、糖粒沉在盒底形成固体，实验证明可先结冰；

3.姆潘巴自制的冰淇淋中不仅牛奶加糖，还加入了淀粉类物质，在其少放糖、少放牛奶时会先结冰；

4.摆放的位置靠近冰箱导热管。

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其他解释：

　　目前本现象已由3名向明中学中国女学生证明只是上述4种因素的巧合.在正常情况下仍是冷水先结冰。3位同学的大半个寒假都是在实验室与黄曾新老师共同度过的。超过100次的实验最终换来的是上万个宝贵的数据。开学前，实验阶段结束，课题组迎来更为枯燥的数据分析阶段。虽然有先进的自动化仪器相助，但万千数据的整理、分析和总结还是颇为麻烦。暂且不论课题组精心绘制11张分析示意图花费了多少时间，只需节选论文的“数据记录分析”部分，其繁琐程度就可见一斑：冷、热纯牛奶对比；冷、热含糖牛奶对比；冷、热无糖、无淀粉牛奶对比；冷、热含糖、含淀粉牛奶对比；冷、热纯水对比；冷、热糖水对比；冷、热盐水对比；冷的纯水与纯牛奶对比；有糖冷、热淀粉与无糖冷、热淀粉对比……严密的分析之后，结论水到渠成：同质同量同外部温度环境的情况下，姆潘巴现象不会出现，不可能热的液体先结冰。近日向明中学将邀请有关专家对这一实验课题进行评审鉴定。
　　去年11月起，在向明中学科技名师黄曾新的指导下，上海市3名女中学生——向明中学的庾顺禧、叶莎莎和上海中学的董佳雯，开始研究姆潘巴现象。4个月来最后得出结论：在同质同量同外部温度环境的情况下，热液体比冷液体先结冰是不可能的，并提出了引起误解的三种可能。她们认为，只有当冰箱有温差、牛奶含糖量不同或糖没有溶解、含有较多淀粉等非液体成分时，姆潘巴现象才有可能发生。(CCTV2005年7月6日20：30播出 破解姆潘巴)
姆潘巴现象被称为世界物理难题，四十多年来遭到了物理老师的否定，还被媒体说成是谎言。然而，根据中学物理理论我们可以发现姆潘巴问题只是一道中学生知识大综合题，每一名中学生都可以掌握其证明的方法。
证明：假设热水可以比冷水先结冰，那么必要条件是或者热水的冰点比冷水高、或者热水的降温速度比冷水快。由于在常压下纯净的热水与冷水冰点相同，所以要证明姆潘巴现象就必须证明热水的降温速度快于冷水。
根据物理基础理论：热水的蒸发强度大于冷水而密度小于冷水。如果取两只相同的非密封容器，放入同质同量的水，一个为热水，另一个为冷水，把它们同时放进同一外部环境温度中。热水在降温过程中因蒸发而失去的水分比冷水多，所以初温高的水最终质量必然小于初温低的水，热水的降温速度也必然始终比冷水快。
如果取两只相同的密封容器，放入同质同量的水，一个为热水，另一个为冷水，把它们同时放进同一外部环境温度中。热水在降温过程中因密度增大、体积缩小而形成的容器内气压必然低于冷水因降温而形成的容器内气压，热水的沸点温度比冷水低并且对流强度大于冷水，热水在单位时间内失去的热量始终比冷水多，所以热水的降温速度必然始终比冷水快。
由于在同质同量同外部环境温度条件下热水的降温速度始终比冷水快，当外部环境温度处于持续降温状态时，热水的温度会比冷水温度更低；当外部环境温度处于特定时间内或特定温度范围内降温状态时，热水的温度会与冷水相等或者高于冷水。所以，在同质同量同外部环境温度条件下热水的温度会比冷水温度更低是一种普遍现象，冷水比热水先结冰是在特定的外部环境温度条件下出现的特定现象，姆潘巴现象符合物理基础理论。
附：完成开水先结冰实验的操作要点。
四十多年来，世界上很少有人完成开水先结冰的实验，其原因在于实验的方法缺乏科学性。从理论上说，在同质同量同外部环境温度条件下三十六摄氏度的水可以比三十五摄氏度的水先结冰，但如果二者的温度比较接近，那么它们在蒸发强度和密度上的差异较小，很难用实验的方法来体现热水在降温速度上的优势。根据物理基础理论，在常压下100摄氏度是水的沸点，在4摄氏度时水的密度最大，为了更清晰地完成热水先冰的实验，我们可以依据姆潘巴问题给出已知条件，选用尽可能接近100摄氏度的热水与4摄氏度的冷水、合理的外部环境实验初始温度、减缓外部环境温度的下降速度；非密封容器具备较大的蒸发面积，密封容器有较高的密封度。特别要注意开水的提取方法：沸水一但离开加热源，温度和蒸发强度的下降很快，必须快速准确的先提取定量的开水，然后再按同质同量要求提取冷水。
采用非密封容器完成开水先结冰实验的操作方法：（供参考）
1， 将冰箱冷冻室内的实验初始温度控制在4摄氏度，取两只相同的盘子，放入同质同量的水，一个为4摄氏度的冷水，另一个为接近100摄氏度的热水，把它们同时放进冰箱冷冻室内。控制冷冻室内温度的下降速度，使其每小时下降1摄氏度（或每二小时下降1摄氏度），完成冷冻后记录热水与冷水的最终质量。
2， 在冬季，利用自然降温完成这个实验。当某一天中午户外气温不低于4摄氏度而夜间的最低温度在零下2~3摄氏度时，可选择在中午时间取两只相同的盘子，放入同质同量的水，一个为接近100摄氏度的热水，另一个为温度与户外气温相同的冷水，把它们同时放到户外同一位置上，记录热水与冷水完全冻结的时间和二者最终的质量。
3， 参照上海三名高中生的实验方法操作，冷冻结束后记录热水与冷水的最终质量。根据热水最终质量小于冷水来证明：因为热水的降温速度始终快于冷水，热水可以比冷水先结冰。
采用密封容器做实验时，可参照非密封容器实验第1、第2种方法。
另：有人认为，亚里士多德的原文中对这一现象的描述是这样的：“先前被加热过的水，有助于它更快地结冰”，多数人很可能误解了此句话的本意，即“先前加过热的水与先前未加过热的水在同温下的比较”而非“热水与冷水的比较”。因此依据第二种理解即上文所论述的，姆潘巴现象是不成立的；而在第一种理解下，姆潘巴现象是有可能成立的。