关于生鸡蛋熟鸡蛋的物理问题
(2014-06-04 17:16:49)
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分类: 物理教学 |
2、利用物理方法,判断一只鸡蛋是生的还是熟的?
(一)把鸡蛋放在桌上,用手把鸡蛋迅速扭动。离手后观察它的转动情形:如果鸡蛋转动得很顺利,则为熟鸡蛋;反之,如果转动得不顺畅的,则为生鸡蛋。
因为熟蛋被扭动时,蛋白蛋黄全部一同被扭动,故转得顺利。反之,生蛋被扭动时,只是蛋壳受力,而蛋白和蛋黄几乎未受力。由牛顿第一定律(惯性定律)可知,蛋白和蛋黄因惯性几乎停留不动。于是,蛋壳的转动就被蛋白拖慢了。
(二)待鸡蛋转动一段时间之后,突然按停鸡蛋瞬间,并立即缩手。如果缩手后不再转动的,则为熟蛋;反之,缩手后能自动再转几下的,则为生蛋。
因为熟蛋被按停时,蛋壳、蛋白和蛋黄都全部停止,缩手后就继续静止。反之,生蛋在按停时,只是蛋壳暂时停止,但蛋白和蛋黄因惯性仍然转动。故缩手后,能带动蛋壳重新再转几下。
另解:生鸡蛋由于其蛋黄和蛋白未凝固,可以自由移动,一旋转其重心移至转轴,基本上满足角动量守恒的条件,所以可以旋转较长的时间才停下来,故生鸡蛋旋转时比较平稳,转动的时间比较长;而熟鸡蛋由于其蛋黄和蛋白已经凝固,重心一般不会再转轴上,是偏心的,所以熟鸡蛋旋转时摇晃不稳,转的时间较短。分析可见,根据转动现象的不同就可以判断鸡蛋的生熟。
其中上述两种解释有矛盾的地方,实践是检验真理的唯一标准,明天做一下实验。
教师在讲授惯性知识的课堂上,常常举一些惯性的实例,让学生应用惯性知识去解释这些现象。而“怎样区分生鸡蛋和熟鸡蛋”是我们常讲的一个实例。让生鸡蛋和熟鸡蛋在光滑而平整的桌面上旋转,看谁转的时间长?有一些同学说:生鸡蛋转的时间长;有一些同学说:熟鸡蛋转的时间较长。这个问题有一些老师都模模糊糊,不明究里。
解释一:华东师范大学物理系、普通物理教研组编写的《普通物理学思考题题解》第五节“刚体转动”第97题:将一个生鸡蛋与一个熟鸡蛋放在桌面上旋转,就可以判断哪个是生的,哪个是熟的?说明理由。
答:“这两个蛋旋转时有不同的现象,生鸡蛋旋转时比较平稳,转动时间也长;熟鸡蛋旋转时摇晃不稳,转的时间短。这是因为生蛋的蛋白、蛋黄未凝固,可以自由转动。一旋转其重心移至转轴。满足角动量守恒,因此可以旋转相当长的时间才停下来,且转动比较稳。而熟蛋蛋白、蛋黄已经凝固,重心位置一般不会在轴心上,是偏心的,因此转动起来,就会摇晃,且不稳,很快就停下来。”
此解释用角动量守恒来说明,看上去没有什么不妥之处。
解释二:胡盘新、孙遒疆、黄颂翔编写的《普通物理学思考题分析与拓展》,第四节“刚体的转动”,第11题,将一个生鸡蛋和一个熟鸡蛋放在桌上分别使其旋转,如何判定哪个是生的?哪个是熟?为什么?
答:“可根据两者的旋转情况的不同来加以判别,熟鸡蛋内部凝固成固态,可近似为刚体,使它旋转起来后,对质心转动惯量可以认为是不变的常量,鸡蛋内各部分相对转轴有相同的角速度。因桌面对质心轴的摩擦力矩很小,所以熟鸡蛋转动起来后,其角速度的减小非常缓慢,可稳定地旋转相当长的时间。而生鸡蛋内部可近似为非均匀分布的流体,使它旋转时,内部各部分状态变化的难易程度不同,会因为内摩擦而使鸡蛋晃荡,转动轴不稳定,转动惯量也不稳定,使它转动的动能内摩擦等因素的耗散而不能维持,使转动很快停下来。”
此解释因生鸡蛋内部是不均匀流体,能量因内部摩擦而耗散,使转动不能进行。也是有一定道理的。
但“解释一”和“解释二”得到的结论截然相反,那么到底哪种说法更有道理呢?最终正确的结论是什么呢?实验是检验理论的最佳途径,我们不妨取二个鸡蛋实际转一转,看看情形究竟是怎样的?
实验和说明:取两个鸡蛋,一个煮熟为熟鸡蛋,另一个为生鸡蛋,让两鸡蛋有相同的质量和体积,这样才更有说服力。但找两个相同质和体积的生熟鸡蛋很困难。其实用同一个鸡蛋能巧妙解决上面问题,取一个生鸡蛋,用天平称出其质量为62g,在平整且较光滑的桌面上旋转,用秒表计量其旋转的时间,大约1秒钟即停止转动,重复几次实验,情形和第一次没什么区别,生鸡蛋几乎不可能转动。
把这个生鸡蛋放在锅中,在炉子上煮熟,这需要一点点时间,大约5min左右,这样熟鸡蛋的质量、体积和生鸡蛋几乎相同,用同样的方法使熟鸡蛋旋转,当然用力程度和转动生鸡蛋要接近,熟鸡蛋转动效果非常好,转动时间较长,持续约35秒,重复几次,转动时间转都在30秒以上。
这样看来“解释二”比较有说服力,当我们去解释自然界事物的各种现象时,往往建立一些想象的模型,突出主要的方面,忽略次要的因素,但事物的发展和变化是极其复杂和多样的。凭我们人类的理性和智慧是不能完全洞察和全面了解的。但我们能抓住事物的主要原因就该心满意足了。生、熟鸡蛋在旋转时,各种因素都会对转动产生影响。“解释一”突出了液体的流动性,使其质心能改变且通过转轴,但他忽略了一点,正是因为液体有流动性,使得转动不能同步,外层的液体转动了,而内层液体因为有黏滞阻力和惯性不能很快转动起来,使得能量在内部耗散掉,不等到质心调整到轴心,转动已经停止了。而熟鸡蛋虽然不能保证质心过转轴,但它能保证每个部分都能同步转动起来,而且有相同的角速度。当然重力矩的作用和桌面摩擦的作用最终会让鸡蛋停下来,但它转动的时间已经远远超过了生鸡蛋的转动时间。
那么第一种解释在什么情况下可以成立呢?生鸡蛋蛋白、蛋清密度不均匀是否是生鸡蛋转动慢的主要原因呢?如果用密度均匀的液体放在蛋壳中,是不是会转动时间长一些呢?
取一个乒乓球,直径约为4CM,用注射器向球内充入液态的水,然后用胶带密封注射孔,旋转乒乓球,看到的情形几乎和生鸡蛋一样,转动几圈后便停下了,看来并不能用生鸡蛋内液体密度不均匀来解释生鸡蛋转动慢的原因。将装有水的乒乓球放入冰箱冷冻室中,球中的水将凝固成冰,当然这需要更长的时间,二小时以后取出乒乓球,此时球内已结冰,旋转乒乓球,结果球可以转动很长时间,分别做了三次,时间分别为45秒、50秒、51秒,比熟鸡蛋转动时间还要长一些,可能是因为冰球是一个球形吧,质心更靠近转动轴心。
其实“解释一”的成立也是可以的,问题是要让生鸡蛋和熟鸡蛋转到相同的角速度,然后观察哪个鸡蛋先停下来,这种情况下熟鸡蛋会先停下来,而生鸡蛋因为质心在轴线上,所以角动量守恒,会旋转较长的时间才会停下来。在惯性离心机中,当离心机停止以后,旋转的液体很难停下来就是最好的说明。“解释一”恰恰忽略了这一点,生鸡蛋根本无法旋转,要转到与熟鸡蛋相同的角速度需要更长的时间来加速。“解释一”和“解释二”一个是旋转以后的情况,一个是使其旋转的情况,它们并没有矛盾,只是同一个物体的不同方面的反映,生鸡蛋转起来困难,但一旦旋转以后停下来也同样困难。
思考和结论:对于初中学生,我们怎样来解释这个现象呢?答:转动两个鸡蛋,几乎不能转动的、停下来较快的是生鸡蛋。因为生鸡蛋中是液态的物质,当外层液体旋转以后,内层液体因为惯性仍然保持其静止状态,内外层液体因转速不同而产生摩擦,旋转的动能因为摩擦而产生内能耗散掉了,而蛋的动能将大幅减少,所以生鸡蛋几乎无法正常转动。
一个物理规律和公式的成立,往往都有其局限性,是有条件的,在一定的范围内是真理的理论,而在另一种情况下往往变成了“谬误”。如在宏观和低速的情况下符合的很好的牛顿定律,在微观和高速的情形下破绽百出。不能自圆其说。光在某些情况下表现出波动性,如干涉、衍射现象中。而在另一些情况下却又表现出粒子性,如康普顿散射现象、光电效应中。玻尔的原子理论在解释氢原子模型时与实验符合的较好,但在解释较复杂的双原子、多原子模型时又漏洞百出。因些,在一些现象中为了突出主要矛盾或矛盾的主要方面,我们往往设计出各种模型,把客观事物理想化,忽略其次要方面,定性或半定量的说明事物发生的原因和发展的方向,而理论解释是否正确,最好的验证就是“实验”,用实验结果来完善和说明我们的理论缺陷。现在许多物理教师懒得去做实验,凭空想象或想当然,拿别人的东西照抄照搬,不明究里,当遇到问题时往往手足无措,在课堂上卡壳,或对学生敷衍了事。课前的认真备课,课后的总结反思和其他教师的交流合作,都是我们提高教学水平的最佳途径和方法。