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探究牛顿的冷却模型,一、理论支持牛顿冷却定律(Newtonslawofcooling):,温度高于周围环境的物体向周围媒质传递热量逐渐冷却时所遵循的规律。当物体表面与周围存在温度差时，单位时间从单位面积散失的热量与温度差成正比。牛顿冷却定律是牛顿在1701年用实验确定的，在强制对流时与实际符合较好，在自然对流时只在温度差不太大时才成立。是传热学的基本定律之一，用于计算对流热量的多少。,实习环境：家中方案设计：实验原理：牛顿的冷却定律：实验步骤：1、用温度计测环境温度。2、取1杯50C的水，测其冷却至48、45、43所用的时间。3、记录上述实验数据，验证牛顿的冷却模型,二、实验验证,二、实验验证,家中温度：13分析：经牛顿冷却定律计算出的环境温度与实际所测的家中温度相近。实验结论：温度高于周围环境的物体向周围媒介传递热量逐渐冷却，遵循牛顿的冷却定律。,1、一杯开水的温度降到室温大约需要多少时间？答：一般情况下，开水的温度是100，室温是26时，所以一杯250ml的开水冷却至室温大约需12h。,三、实验探究,2、应在炒菜之前多长时间将冰箱里的肉拿出来解冻？答：运用牛顿冷却定律可知，炒菜之前大约10min应将冰箱里的肉拿出来解冻，这样既有利于切又能保持肉味的鲜美。,三、实验探究,3、在寒冷的冬季，是冷水管容易结冰，还是热水管容易结冰？答：热水管容易结冰，如果从Mpembe效应的蒸发角度看，在热水冷却到冷水的初温的过程中热水由于蒸发会失去一部分的水，质量较少，令水较容易冷却和结冰，这样热水就可能较冷水早结冰，但冰量较少，从溶解气体对流和周围事物等方面考虑，热水管较冷水管先结冰。,三、实验探究,四、提出挑战,Mpemba效应,姆潘巴在坦桑尼亚的马干巴中学读三年级时，校中的孩子们做冰淇淋总是先煮沸牛奶，待到冷却后再倒入冰盘，放进电冰箱。为了争得电冰箱的最后一只冰盘，我决心冒着弄坏电冰箱的风险而把热牛奶放进去了。一个多小时以后，我们打开电冰箱，里面出现了惊人的奇迹:我的冰盘里的热牛奶已结成坚硬的冰块，而他们的冰里还是稠稠的液体。我飞快地跑去问物理老师，他淡淡地回答说:这样的事一定不会发生。,四、提出挑战,Mpemba效应,进入高中后，在学习牛顿冷却定律时，我又问物理老师，他同样轻率地否定了我的观察。我继续述说我的理由，可老师不愿意听，在一旁的同学们也帮着老师质问我:你究竟相不相信牛顿冷却定律?我只好为自己辩解:可定律与我观察的事实不符嘛!在同学们的讪笑声中，老师带着无可奈何的神情说道:你说的这些就叫做姆潘巴的物理吧!从此以后，姆潘巴的物理便成了我的绰号，只要我做错一点，同学们就马上说这是姆潘巴的什么。尽管如此，我仍然坚信我的观察是正确的，其中可能包含着更为深刻的道理。,四、提出挑战,Mpemba效应,就在这一年，坦桑尼亚最高学府达累斯萨拉姆大学物理系系主任奥斯波恩博士来我校访问，我决心求助于博士，我向他讲述了我的奇遇。他先是笑了一下，然后认真地听取了我的复述，博士回校后亲自动手并观察到了同一事实。他高度评价了我的观察，他说:姆潘巴的观察，事实上提出了权威物理学家可能遇到的危险，同时也对物理教师提出了一个感兴趣的问题。,四、提出挑战,Mpemba效应,1.冷却的快慢不是由液体的平均温度决定的，而是由液体上表面与底部的温度差决定的，热牛奶急剧冷却时，这种温度差较大，而且在整个冻结前的降温过程中，热牛奶的温度差一直大于冷牛奶的温度差。2.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。基于以上两方面的理由，热牛奶以更高的速度冷却着，这便是热牛奶先冻结的秘密。,是真的吗,基于热牛奶先冻结的解释，我们猜想:在发生严重冰冻的日子里，热水管应该先于冷水管发生冻结，是不是这样呢?,反思,冷牛奶从初温开始到冻结所需时间为t1，热牛奶冷却到初温所需时间t2，则热牛奶从初温开始到冻结所需的全部时间为t1+t2。显然有(t1+t2)t1.推导出如下结论:热牛奶先冻结的现象不可能发生。如果发生了热牛奶先冻结的现象，则必然导出(t1+t2)t1的结论，这似乎是荒谬的。上述貌似正确的推理支配着人们的头脑，所以不少的人不但自己不去观察，甚至连别人观察到的事实也不敢相信。这种不尊重观察的态度，往往使真理从自己的鼻尖下面悄悄溜走。,
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