專利名稱：研究姆潘巴問題的實驗裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種實驗裝置技術領域，具體涉及一種研究姆潘巴問題的實驗裝置及其方法。
背景技術：
1963年，坦桑尼亞的馬干巴中學三年級的學生姆潘巴經常與同學們一起做冰淇淋吃，他們總是先把鮮牛奶煮沸，加入糖，等冷卻后倒入冰格中放進冰箱的冷凍室內冷凍。因為學校里做冰淇淋的同學多，所以冷凍室內放冰格的位置一直比較緊張。有一天，當姆潘巴做冰淇淋時，冰箱冷凍室內放進了冰格的空位已經所剩無幾了，一位同學為了搶在他的前面，竟把鮮牛奶放入糖后立即放在冰格中關進了冰箱的冷凍室，姆潘巴只得急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖，等不得冷卻，立即把滾燙的牛奶倒入冰格里，送入冰箱的冷凍室內，過了一個半小時后，姆潘巴發現他的熱牛奶已經結成了冰而其他同學的冷牛奶還是很稠的液體，沒有凍結，這個現象使姆潘巴驚愕不已！他去請教物理老師，為什么熱牛奶反而比冷牛奶先凍結？老師的回答是“你一定弄錯了，這樣的事是不可能發生的”。后來姆潘巴進了伊林加的姆克瓦高中，他向物理老師請教“為什么熱牛奶和冷牛奶同時放進冰箱，熱牛奶先凍結？”老師的回答是“我所能給你的回答是你肯定弄錯了。”當他繼續提出問題與老師辨論時，老師譏諷他“這是姆潘巴的物理問題。”姆潘巴想不通，但又敢頂撞老師。一個極好的機會終于來了，達累斯薩拉姆大學物理大學物理系主任奧斯波恩博士訪問該校，作完學術報告后回答同學的問題。姆潘巴鼓足勇氣向他提出問題如果你取兩個相似容器，放入等容積的水，一個處于35℃，另一個處于100℃，把它們同時放入冰箱，100℃的水先結冰，為什么？奧斯波恩博士的回答是“我不知道，不過保證在回到達累斯薩拉姆之后親自做這個實驗。”結果他和他的助手做了這個實驗，證明姆潘巴說的現象屬實！這究竟是怎么一回事呢？姆潘巴問題是一個在物理界路人皆知的課題，已有多人撰文研究，然而都不透徹，由于缺乏科學的實驗手段與實驗數據，因而說服力不強，至今沒有找出根本原因，沒有定論。
發明內容
科技發展到今天，生活中還有不少簡單的問題仍是科學領域里的未知數。“熱牛奶更易冷卻”雖然與常理相悖，但卻是實際存在的現象。幾十年來，人們為它而爭論不休，但卻始終沒有全面定量的令人滿意的結論。所以我們打算使用科學的實驗儀器，對液體的冷卻過程做一個詳細的測量并記錄有關數據，希望從中獲得有用的結論和啟發。
本發明從牛奶的粘度，冷卻速率，容器容積大小，冰箱等因素對姆潘巴現象的影響以及用多點自動記錄溫度計分別測量容器中從邊緣到中心各處溫度變化情況分析后導出姆潘巴現象的根本原因，以及從冰箱的溫度不均勻性，流動性對姆潘巴現象引起的干擾進行全面分析，從而爭取從根本上徹底解決這一世界性的存在爭議的重大課題。
姆潘巴問題已引起了許多人的關注，在發明之前已有很多人做過相關實驗并發表了許多論文來論述他們對這一現象的觀點。我們收集了一些有關的資料，并進行整理。其中有幾種解釋還是具有一些說服力的。
發表在1969年英國《物理教師》雜志上的由姆潘巴和斯波恩兩個撰寫的一篇文章中作了第一次嘗試性解釋，他們的結論是冷卻主要在于液體表面，冷卻速率決定于液體表面的溫度而不是它的整體的平均溫度，液體內部的對流使得液面維持的溫度比液體內溫度高，即使兩杯液體冷卻到相同的平均溫度，原來熱的系統的熱量損失仍要比原來冷的系統來得多，液體在結冰之前必須經過一系列的過渡溫度，所以用單一的溫度來描述系統顯然是不夠的，還要取決于初始條件的溫度梯度。
另一種是物質運動慣性來解釋的一個價和電子的運動慣性是微不足道的，但是整體物質的價和電子的運動慣性卻是不可忽視的。大家知道0℃的水與0℃的冰并存，把冷水緩慢地降溫到0℃，水還是水，并不結冰，即水的價和電子仍然維持著原來的運動方式。把冷水緩慢降溫到0℃以下，當水開始了結冰，再回到0℃，這時的水會都結成冰。這就是說水經過冷卻之后，盡管是部分價和電子的運轉由立交進入平面，然而這種運動方式一旦開始，所有的價和電子都將按這個趨勢進入新的運動狀態。在水中，分子之間的結構元是成鏈、成團，時接時分的。溫度降低時，水分子的二個價和電子運轉由立交的扭轉，轉變成二個平面運轉，結構元之間電磁力方向由紊亂變得穩定，結構元連成連續穩固的架體結構，水就結成冰。置于冰箱中的冷水與外界溫差較小，核外電子向外界輕微地輻射出電磁波，同時緩慢地降低自身的價和運轉速率。因為溫差不大，這種輻射和降溫一般在物質的表面，整體物質降溫還有一個從內向向外的傳遞過程，需較長時間才能使整體的價和電子的運轉由立交逐步地歸順到在序的平面運轉，使水結冰。而冰箱中的熱水與外界溫差大，降溫幅度很大，物質表面和內部的核外電子向外界迅速地輻射出電磁波，很快地降低自身的價和運轉速率，有序的電磁力使得周圍扭動的電磁力迅速歸順，較快地形成固定對位的連續架體，熱水也就較快地結成了冰。
雖然兩種解釋都很有道理，但都缺乏有力的數據來證明，所以需要實驗數據來進一步證明。近幾年全國有不少中學對姆潘巴問題進行研究，我們認為都因實驗設計不夠周全，不夠合理，沒從多因素進行分析，實驗數據不夠充分，因而不甚滿意。
本發明提供的一種研究姆潘巴問題的實驗裝置主要包括下列設備速凍冰箱、多點自動記錄儀及測溫探頭。
本發明提供的一種研究姆潘巴問題的實驗裝置及方法從以下幾個方面進行實驗。
1、從牛奶的粘度變化分析在何種情況下對姆潘巴現象影響最大從資料分析由于該現象是用鮮牛奶加糖制冰淇淋，其中涉及到放入糖的多少，與是否拌均，這對冷凍速率有直接影響，所以我們先從該處著手。
實驗資料冰箱、鮮牛奶、純水、糖、0.3升容器數只。
實驗步驟分別將純牛奶、50％牛奶+50％純水、0.3升牛奶+10克糖、0.3升牛奶+20克糖、0.3升牛奶+50克糖、0.3升牛奶+100克糖、0.3升牛奶+200克糖，從40℃開始冰凍與從90℃開始冰凍，進行比較。
2、從牛奶容器大小進行分析看是否有可能在某一容積牛奶中姆潘巴現象最明顯，將上述實驗結果明顯的材料配比，再分別放在0.1升、0.2升、0.3升、0.4升、0.5升、0.8升、1升容器內進行冷熱比較，看哪一種姆潘巴現象明顯。
3、從牛奶容器外界溫度進行分析看是否因冰箱的冰凍溫度與姆潘巴現象有關，我們將冰箱的冰凍溫度調節到-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-30℃、-40℃，從上述材料方法進行冷熱對比，看哪一種情況姆潘巴效果最明顯。
4、測量容器中離中心點不同處的冷卻溫度如果我們用儀器測出容器中離中心不同處的冷卻過程變化，可知道它們的每個地方與第一個時刻的冷卻速率，就可以知道形成姆潘巴現象的關鍵所在。
測試方法將測溫計幾十個安裝漸開線方式放在一個不銹鋼鍋內，按每分鐘記錄一次，看每點的溫度變化并且列入表格和圖像，一是看在哪一個時間段溫度變化值最大，二是看在哪一個區域溫度變化最大。
將上述實驗大量數據進行分析對比，看姆潘巴現象是否存在，形成姆潘巴現象的主要因素是什么。
5、冰箱溫度的不均勻性與氣體流動性對形成姆潘巴現象的影響我們認為由于一般冷凍冰箱內沒有強迫循環風扇，氣體流動是不均勻的，對流傳熱不暢，而靠接觸傳導傳遞熱量速度很慢，會造成冰箱內各點溫度值相差極大，這樣完全有可能熱牛奶反而先結冰，這就說明了姆潘巴現象根本是一個幾十年的誤解，所以我們用實驗進行分析。
(1)我們先測量出在冷凍室內不存放食物時各點溫差，找出最大值。
(2)我們再測量出在冷凍室內存放50％食物時各點溫差，找出最大值。
(3)我們先測量出在冷凍室內存放100％食物時各點溫差，找出最大值。
(4)我們先測量出在冷凍室內存放50％食物再用風扇將氣體流動時各點溫差，找出最大值。
6、數據分析對測得的各種數據進行分析研究，找出關鍵性的變化規律，由此得出形成姆潘巴現象的實質。
7、結論有兩種可能1、一種是姆潘巴現象確實存在，主要原因在于當液體冷卻到一定溫度時變稠不能流動，從而不能形成用對流方式傳遞熱量，主要靠傳導方式傳遞熱量，其熱傳遞性極差，形成冷卻速度大下降，而熱的牛奶在快速冷卻時在邊緣部分液體速冷已結成晶核，結成冰粒，而內部液體卻處在高溫狀態，處于液體狀態，在冰粒與水的混合狀態可以流動，使容器表面與內部溫度相同反而易結冰所致。
2、另一種可能是在同樣外界條件下，不可能形成姆潘巴現象，而僅僅是放糖的多少沒攪拌均勻，僅姆潘巴這瓶牛奶比其他同學稀薄，流動性好冷卻快所致。也有可能是冰箱內牛奶多，空氣流動不暢形成冰箱溫度不均勻，姆潘巴的一瓶牛奶比其他同學的牛奶更靠近冷卻管處溫度低所致。
總之，無論是哪一種結果，我們都能因為做的實驗方法更新，數據更多，分析更透徹，都能得出對姆潘巴問題有極大影響的結論。
下面，結合附圖和實施例詳細說明依據本發明提出的具體裝置和方法的細節及工作情況。
圖1為本發明的結構示意圖。
圖2為本發明提供的測溫探頭的布置分布圖。
具體實施例方式
如附圖1-2所示，本發明提供的一種研究姆潘巴問題的實驗裝置主要包括下列設備速凍冰箱1、多點自動溫度記錄儀2及測溫探頭3。其中，所述的多點自動溫度記錄儀2同多個測溫探頭3相連，將所述的測溫探頭3放入速凍冰箱1內部的各個部位進行研究。本發明將多個所述的測溫探頭3安裝放置呈漸開線方式。
本發明實施例提供的速凍冰箱1采購了一臺先進的有數字顯示溫度的SHARP(夏普)BCD-202BYL，200立升立式二門電冰箱，有自動除霜功能，有較好溫度均勻性，最大制冷溫度可達-21℃。
本發明實施例提供的多點自動溫度記錄儀2采購了一臺先進的長圖形12點自動溫度記錄儀，可測-50℃-100℃，精確達1級。
本發明實施例提供的測溫探頭3采用有利于測低溫的W2P-203T鉑電阻。精確達0.1級。
一種應用上述研究姆潘巴問題的實驗裝置進行研究的方法(一)實驗材料及方法對純水、自來水、純牛奶、含糖牛奶、含淀粉牛奶、含糖含淀粉牛奶的100℃與35℃對比。
(二)用實驗分析是否有其他因素造成姆潘巴現象1.是否由于局部結冰。
2.是否由于冰箱溫度不均勻。
3.是否由于材料不同。
4.是否由于糖的多少與沒攪拌均勻，即糖在姆潘巴中的作用。
5.是否由于材料多少。
6.淀粉在姆潘巴問題中的作用。
7.冷卻速率對姆潘巴問題的作用。
(三)實驗過程實驗一測空載時冰箱上下格各點溫度差將12個測溫頭分別放在冷凍室三格中各點，測出溫度如附圖1所示。
時間2005.2.7 19點-23點從附圖1分析可知
(1)空載時從5℃室溫降至-22℃，各點溫差要相差8℃-10℃，由于空氣對流小，這對測量會造成誤差。
(2)空載時由于電冰箱是除霜式，是斷續加熱，所以各處有8℃-10℃上下誤差。
(3)溫度在10℃-25℃之間，可以進行實驗。
解決辦法(1)在冰箱內放一電扇強迫循環。
(2)在冰箱內存放大量瓶裝純水，并且使冰箱開至-20℃時實驗，可加快速凍速率。
實驗二 用12盒“三色冰淇淋”杯盛水從90℃開始冰凍實驗將12個測溫頭放在12盒“三色冰淇淋”杯中并盛90℃開水，測出各點溫度變化，如附圖2所示。
時間2005.2.8 19點-23點從附圖2分析可知(1)不用風扇，每杯溫差大。
(2)由于12杯水熱量多，冰箱來不及制冷。
解決方法(1)用風葉吹。
(2)用大量冰杯先制冷至-20℃可加快冷卻速率。
(3)用小杯與一二個杯對照。
實驗三 用風扇使空氣對流加快實驗冰箱中用風扇吹風，減小冰箱中各點的溫度差，再實施實驗二中實驗過程，實驗數據如附圖3所示。
時間2005.2.9 19點-23點從附圖3分析可知(1)冰箱內各杯溫度均勻性極好，不小于5℃，但大量時間停留在0℃，這說明冰在0℃-4℃時會吸收大量熱量。
解決方法減少實驗冰杯數量。
實驗四 用加糖牛奶從90℃與從30℃同材料結冰實驗在用風葉吹風，將二個三色杯加糖牛奶從90℃降溫與4個30℃加糖牛奶對比時間2005.2.10 18點從附圖4分析可知(1)從90℃加糖牛奶降到0℃要1.5小時，而且所有杯同步。
(2)從0℃下降到-10℃需4小時，時間太長。
解決方法(1)減少實驗杯數。
(2)用風扇吹。
(四)分析與結論1.純水、自來水、純牛奶、含糖牛奶等在同樣材料的容器內，在溫度不同情況下均同時結冰，沒有姆潘巴現象發生。這是由于水分在液固相互間變化時，液體固化會吸收大量熱能所致。
2.如果以表面局部結冰作為結果，有可能糖度高的樣品先結冰。
3.含糖量高的樣品其冰點低(-20℃)所以與水(0℃)結冰時間相同。
本發明提供的一種研究姆潘巴問題的實驗裝置及方法從以下幾個方面進行實驗。
1、從牛奶的粘度變化分析在何種情況下對姆潘巴現象影響最大從資料分析由于該現象是用鮮牛奶加糖制冰淇淋，其中涉及到放入糖的多少，與是否拌均，這對冷凍速率有直接影響，所以我們先從該處著手。
實驗資料冰箱、鮮牛奶、純水、糖、0.3升容器數只。
實驗步驟分別將純牛奶、50％牛奶+50％純水、0.3升牛奶+10克糖、0.3升牛奶+20克糖、0.3升牛奶+50克糖、0.3升牛奶+100克糖、0.3升牛奶+200克糖，從40℃開始冰凍與從90℃開始冰凍，進行比較。
2、從牛奶容器大小進行分析看是否有可能在某一容積牛奶中姆潘巴現象最明顯，將上述實驗結果明顯的材料配比，再分別放在0.1升、0.2升、0.3升、0.4升、0.5升、0.8升、1升容器內進行冷熱比較，看哪一種姆潘巴現象明顯。
3、從牛奶容器外界溫度進行分析看是否因冰箱的冰凍溫度與姆潘巴現象有關，我們將冰箱的冰凍溫度調節到-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-30℃、-40℃，從上述材料方法進行冷熱對比，看哪一種情況姆潘巴效果最明顯。
4、測量容器中離中心點不同處的冷卻溫度如果我們用儀器測出容器中離中心不同處的冷卻過程變化，可知道它們的每個地方與第一個時刻的冷卻速率，就可以知道形成姆潘巴現象的關鍵所在。
測試方法將測溫計幾十個安裝漸開線方式放在一個不銹鋼鍋內，按每分鐘記錄一次，看每點的溫度變化并且列入表格和圖像，一是看在哪一個時間段溫度變化值最大，二是看在哪一個區域溫度變化最大。
將上述實驗大量數據進行分析對比，看姆潘巴現象是否存在，形成姆潘巴現象的主要因素是什么。
5、冰箱溫度的不均勻性與氣體流動性對形成姆潘巴現象的影響我們認為由于一般冷凍冰箱內沒有強迫循環風扇，氣體流動是不均勻的，對流傳熱不暢，而靠接觸傳導傳遞熱量速度很慢，會造成冰箱內各點溫度值相差極大，這樣完全有可能熱牛奶反而先結冰，這就說明了姆潘巴現象根本是一個幾十年的誤解，所以我們用實驗進行分析。
(1)我們先測量出在冷凍室內不存放食物時各點溫差，找出最大值。
(2)我們再測量出在冷凍室內存放50％食物時各點溫差，找出最大值。
(3)我們先測量出在冷凍室內存放100％食物時各點溫差，找出最大值。
(4)我們先測量出在冷凍室內存放50％食物再用風扇將氣體流動時各點溫差，找出最大值。
6、數據分析對測得的各種數據進行分析研究，找出關鍵性的變化規律，由此得出形成姆潘巴現象的實質。
7、結論有兩種可能1、一種是姆潘巴現象確實存在，主要原因在于當液體冷卻到一定溫度時變稠不能流動，從而不能形成用對流方式傳遞熱量，主要靠傳導方式傳遞熱量，其熱傳遞性極差，形成冷卻速度大下降，而熱的牛奶在快速冷卻時在邊緣部分液體速冷已結成晶核，結成冰粒，而內部液體卻處在高溫狀態，處于液體狀態，在冰粒與水的混合狀態可以流動，使容器表面與內部溫度相同反而易結冰所致。
2、另一種可能是在同樣外界條件下，不可能形成姆潘巴現象，而僅僅是放糖的多少沒攪拌均勻，僅姆潘巴這瓶牛奶比其他同學稀薄，流動性好冷卻快所致。也有可能是冰箱內牛奶多，空氣流動不暢形成冰箱溫度不均勻，姆潘巴的一瓶牛奶比其他同學的牛奶更靠近冷卻管處溫度低所致。
權利要求
1.一種研究姆潘巴問題的實驗裝置，其特征在于該實驗裝置主要包括下列設備速凍冰箱(1)、多點自動溫度記錄儀(2)及測溫探頭(3)；其中，所述的多點自動溫度記錄儀(2)同多個測溫探頭(3)相連，將所述的測溫探頭(3)放入速凍冰箱(1)內部的各個部位進行研究。
2.根據權利要求1所述的一種研究姆潘巴問題的實驗裝置，其特征在于所述的多個測溫探頭(3)安裝放置呈漸開線方式。
3.一種應用上述研究姆潘巴問題的實驗裝置進行研究的方法，其特征在于該方法包括1、從牛奶的粘度變化分析在何種情況下對姆潘巴現象影響最大從資料分析由于該現象是用鮮牛奶加糖制冰淇淋，其中涉及到放入糖的多少，與是否拌均，這對冷凍速率有直接影響，所以我們先從該處著手；實驗資料冰箱、鮮牛奶、純水、糖、0.3升容器數只；實驗步驟分別將純牛奶、50％牛奶+50％純水、0.3升牛奶+10克糖、0.3升牛奶+20克糖、0.3升牛奶+50克糖、0.3升牛奶+100克糖、0.3升牛奶+200克糖，從40℃開始冰凍與從90℃開始冰凍，進行比較；2、從牛奶容器大小進行分析看是否有可能在某一容積牛奶中姆潘巴現象最明顯，將上述實驗結果明顯的材料配比，再分別放在0.1升、0.2升、0.3升、0.4升、0.5升、0.8升、1升容器內進行冷熱比較，看哪一種姆潘巴現象明顯；3、從牛奶容器外界溫度進行分析看是否因冰箱的冰凍溫度與姆潘巴現象有關，我們將冰箱的冰凍溫度調節到-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-30℃、-40℃，從上述材料方法進行冷熱對比，看哪一種情況姆潘巴效果最明顯；
4.測量容器中離中心點不同處的冷卻溫度如果我們用儀器測出容器中離中心不同處的冷卻過程變化，可知道它們的每個地方與第一個時刻的冷卻速率，就可以知道形成姆潘巴現象的關鍵所在；測試方法將測溫計幾十個安裝漸開線方式放在一個不銹鋼鍋內，按每分鐘記錄一次，看每點的溫度變化并且列入表格和圖像，一是看在哪一個時間段溫度變化值最大，二是看在哪一個區域溫度變化最大；將上述實驗大量數據進行分析對比，看姆潘巴現象是否存在，形成姆潘巴現象的主要因素是什么；
5.冰箱溫度的不均勻性與氣體流動性對形成姆潘巴現象的影響我們認為由于一般冷凍冰箱內沒有強迫循環風扇，氣體流動是不均勻的，對流傳熱不暢，而靠接觸傳導傳遞熱量速度很慢，會造成冰箱內各點溫度值相差極大，這樣完全有可能熱牛奶反而先結冰，這就說明了姆潘巴現象根本是一個幾十年的誤解，所以我們用實驗進行分析；(1)我們先測量出在冷凍室內不存放食物時各點溫差，找出最大值；(2)我們再測量出在冷凍室內存放50％食物時各點溫差，找出最大值；(3)我們先測量出在冷凍室內存放100％食物時各點溫差，找出最大值；(4)我們先測量出在冷凍室內存放50％食物再用風扇將氣體流動時各點溫差，找出最大值；
6.數據分析對測得的各種數據進行分析研究，找出關鍵性的變化規律，由此得出形成姆潘巴現象的實質；
7.結論有兩種可能1、一種是姆潘巴現象確實存在，主要原因在于當液體冷卻到一定溫度時變稠不能流動，從而不能形成用對流方式傳遞熱量，主要靠傳導方式傳遞熱量，其熱傳遞性極差，形成冷卻速度大下降，而熱的牛奶在快速冷卻時在邊緣部分液體速冷已結成晶核，結成冰粒，而內部液體卻處在高溫狀態，處于液體狀態，在冰粒與水的混合狀態可以流動，使容器表面與內部溫度相同反而易結冰所致；2、另一種可能是在同樣外界條件下，不可能形成姆潘巴現象，而僅僅是放糖的多少沒攪拌均勻，僅姆潘巴這瓶牛奶比其他同學稀薄，流動性好冷卻快所致；也有可能是冰箱內牛奶多，空氣流動不暢形成冰箱溫度不均勻，姆潘巴的一瓶牛奶比其他同學的牛奶更靠近冷卻管處溫度低所致。
全文摘要
本發明涉及一種實驗裝置技術領域，具體涉及一種研究姆潘巴問題的實驗裝置及其方法。該實驗裝置主要包括下列設備速凍冰箱(1)、多點自動溫度記錄儀(2)及測溫探頭(3)；其中，所述的多點自動溫度記錄儀(2)同多個測溫探頭(3)相連，將所述的測溫探頭(3)放入速凍冰箱(1)內部的各個部位進行研究。本發明從各種因素對姆潘巴現象的影響以及用多點自動記錄溫度計分別測量容器中從邊緣到中心各處溫度變化情況分析后導出姆潘巴現象的根本原因，以及從冰箱的溫度不均勻性，流動性對姆潘巴現象引起的干擾進行全面分析，從而爭取從根本上徹底解決這一世界性的存在爭議的重大課題。
文檔編號G09B23/16GK1828693SQ200510024079
公開日2006年9月6日 申請日期2005年2月28日 優先權日2005年2月28日
發明者黃曾新, 葉莎莎, 庾順禧, 俞程 申請人:上海市向明中學