例談趣味物理學(xué)實(shí)驗(yàn)

◆馮玉翠 盧小青

例談趣味物理學(xué)實(shí)驗(yàn)

◆馮玉翠 盧小青

啤酒是生活中常見的物品，它蘊(yùn)含豐富的物理知識，啟迪科學(xué)家展開不少有益的研究。引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生活中的物理現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)，有利于貫徹物理與社會密切聯(lián)系的新課程理念。

啤酒；物理學(xué)；新課程；實(shí)驗(yàn)

10.3969 /j.issn.1671-489X.2016.02.166

1 前言

2011年最新修訂的《全日制義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》在課程基本理念中明確提出：“從生活走向物理，從物理走向社會?！鄙钪械奈锢憩F(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)題材廣泛，不僅能鞏固深化科學(xué)知識，還有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，增強(qiáng)思維的獨(dú)創(chuàng)性。

2 酒瓶碰撞實(shí)驗(yàn)

啤酒是日常生活中十分熟悉的物品，它蘊(yùn)含著豐富的物理知識，但是人們對啤酒瓶卻存在不少錯(cuò)誤的理解和認(rèn)識。不少電影都有類似場景：某個(gè)家伙在酒吧鬧事，一個(gè)面無表情的大漢走過來，手拿酒瓶朝鬧事者頭上用力砸去，伴隨著刺耳的尖叫和玻璃的碎裂聲，鏡頭定格在一縷鮮血從頭部慢慢涌出，鬧事者手捂?zhèn)诨伊锪锏赝藞觥?/p>

酒瓶砸頭真的只是如此輕傷嗎？空酒瓶砸頭造成的傷害比滿酒瓶的傷害小一些嗎？千萬不要被導(dǎo)演編造的場景欺騙，這個(gè)后果有可能是致命的。電影中的酒瓶砸腦袋，這些玻璃材料叫糖膠玻璃，輕輕一碰就碎成玻璃渣且并不傷人。近年來人們用合成樹脂制造玻璃，在液態(tài)樹脂中加入固化劑后倒在模具上成型，酷似玻璃而不傷人。

酒瓶砸頭會造成哪些傷害呢？美國探索頻道“流言終結(jié)者”欄目的專家應(yīng)用先進(jìn)的數(shù)字測量儀器，進(jìn)行了空酒瓶和滿酒瓶砸頭的對比實(shí)驗(yàn)。頭是人體的重要部分，為了確保安全，他們先拿假人做實(shí)驗(yàn)，測量砸頭的力道有多大，以確定是否可以進(jìn)行真人實(shí)驗(yàn)。他們在美式足球頭盔上裝一排特殊設(shè)計(jì)的加速計(jì)，用來記錄頭顱的所有動(dòng)作。連接安全系統(tǒng)，用滿的酒瓶去砸頭盔，酒瓶沒有破，顯示的力道為107 G（表示這個(gè)打擊力為重物本身重量的107倍）。在球場上，100 G就會造成腦震蕩，所以實(shí)驗(yàn)不做真人測試。他們進(jìn)行了酒瓶砸頭造成的腦震蕩、顱骨骨折、撕裂傷等三個(gè)實(shí)驗(yàn)。

1）腦震蕩實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)原理：外力施加在頭部，通過顱骨進(jìn)入腦部的能量大小，決定腦震蕩的嚴(yán)重程度。

裝置說明：打造一個(gè)穩(wěn)定的、類似頭部大小的堅(jiān)固假頭容器，假頭容器中放入果凍腦；另外準(zhǔn)備一桿用彈簧拉緊的機(jī)械臂，外端是一個(gè)鉗子，能抓住啤酒瓶；放開插銷，機(jī)械臂就直接揮向假頭容器；還有能檢視果凍腦搖晃的高速攝像機(jī)。觀察頭部移動(dòng)和腦部晃動(dòng)程度是否有差異，就能知道酒瓶砸頭會造成多嚴(yán)重的腦震蕩。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：滿瓶與空瓶都破碎了，滿瓶砸到假人的頭部時(shí)，容器左右晃動(dòng)，腦部留在原處，前腦撞上容器側(cè)面，然后腦部又移往反方向；空瓶砸到頭部，容器的晃動(dòng)程度相對輕微。

2）顱骨骨折實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)原理：頭傷包括顱骨骨折，酒瓶砸在頭部，顱骨直接承受外力，顱骨的損傷說明外力對頭部的傷害程度。

裝置說明：用一塊和人類顱骨一樣厚的豬顱骨來制作聚氨酯塑料顱骨；將塑料顱骨形嵌板嵌在假頭容器上；為了使實(shí)驗(yàn)更精確，在假人頭容器中加入跟人腦一樣重的牛絞肉。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：滿瓶與空瓶都破碎，被滿瓶砸到頭部，顱骨破裂，絞肉四濺；被空瓶砸到頭部，顱骨沒有破。

3）撕裂傷實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)原理：碎玻璃接觸頭皮，可能會對頭皮造成割傷。

裝置說明：采用和人頭皮性質(zhì)差不多、具有吸收作用的乙烯表皮當(dāng)作人頭皮，在容器外貼上假頭皮，并注入紅色液體代替血液。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：兩次測試中假頭皮的傷勢差異不大，都會出現(xiàn)皮膚割裂的外傷，鮮血直流。

由此可見，酒瓶砸頭對大腦的傷害十分嚴(yán)重，尤其滿酒瓶的質(zhì)量大，打擊時(shí)產(chǎn)生的沖擊力也大，極端情況下有可能致命。

3 啤酒泡沫的物理性質(zhì)

啤酒泡沫被譽(yù)為“啤酒之花”，主要成分是麥芽中的分子蛋白質(zhì)。啤酒中的二氧化碳是形成泡沫的關(guān)鍵成分,泡沫使啤酒花的苦味和酒精的刺激變得柔和，減弱空氣對啤酒的氧化。指數(shù)衰減定律是指放射性同位素按負(fù)指數(shù)規(guī)律而衰減，這項(xiàng)技術(shù)廣泛運(yùn)用于核科技和地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域。

德國科學(xué)家阿德·萊克致力于啤酒泡沫消失的“數(shù)字化表達(dá)”，經(jīng)過細(xì)致觀察和數(shù)據(jù)收集，他發(fā)表名為“用啤酒泡沫演示衰減定律”[1]的報(bào)告，刊登在著名的《歐洲物理學(xué)》雜志上。他計(jì)算三種類型啤酒傾倒時(shí)泡沫消失的具體時(shí)間，推斷泡沫呈指數(shù)式衰減，泡沫能夠在玻璃容器中保留時(shí)間更長。這篇報(bào)告的意義在于：用啤酒泡沫來展示衰減定律，能向?qū)W生解釋復(fù)雜的物理規(guī)律；通過不同泡沫衰減程度和快慢，也能判斷這是什么牌子的啤酒。

用力敲擊啤酒瓶時(shí)會產(chǎn)生大量氣泡。西班牙馬德里卡洛斯三世大學(xué)的物理學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，撞擊瓶子頂部時(shí)產(chǎn)生的泡沫形狀和原子彈爆炸的蘑菇云類似，他們用高速攝像機(jī)拍攝整個(gè)過程，詳細(xì)分析蘑菇云的形成過程?？茖W(xué)家表示，這項(xiàng)研究有助于研究劇烈的氣候變化。

1）悸動(dòng)：敲擊瓶口產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)通過液體傳播，傳播過程中在啤酒內(nèi)部產(chǎn)生小氣泡，小氣泡不斷收縮和膨脹。

2）破裂：到一定時(shí)候，氣泡無法承受壓力，快速破裂。

3）上升：由于氣泡的表面積增大，二氧化碳很容易進(jìn)入到氣泡中，氣泡增大后越來越輕，開始上升。

4）爆發(fā)：氣泡不斷上升和增大，越來越快，最終循環(huán)變得很劇烈，以至產(chǎn)生蘑菇云，在幾百毫秒內(nèi)啤酒從瓶子里噴出。

科學(xué)史上還有一個(gè)著名的啤酒泡沫觸發(fā)諾貝爾獎(jiǎng)靈感的趣味故事。1952年的一天，美國物理學(xué)家格拉澤忙完實(shí)驗(yàn)室工作后，隨手打開一瓶啤酒解渴消遣，只見瓶內(nèi)冒出的一串串氣泡逐漸消失。難道再也不能產(chǎn)生氣泡嗎？他好奇地將一粒沙子扔進(jìn)啤酒瓶，只見沙子下沉?xí)r，周圍不斷產(chǎn)生氣泡。他投入更多的沙子，啤酒好像沸騰似的產(chǎn)生大量氣泡。剛冒完氣泡的啤酒處在不穩(wěn)定狀態(tài)，遇到沙子的擾動(dòng)會繼續(xù)產(chǎn)生氣泡。沙子使啤酒繼續(xù)產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，啟發(fā)格拉澤投入帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的研究中，提出氣泡室理論，為原子物理提供了重要的科學(xué)手段，并因此于1960年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

4 腳踩碎玻璃實(shí)驗(yàn)

尖銳的碎玻璃是常見的危險(xiǎn)物品，赤腳踩在碎玻璃上，普通人不需要經(jīng)過任何訓(xùn)練，只要有足夠的膽量和勇氣，同樣能夠露一手絕活。由物理學(xué)的壓強(qiáng)與壓力關(guān)系可知，同樣大小的壓力，作用面積越大，單位面積上分配到的力就越小。一個(gè)體重為56公斤的成年人，雙腳站立時(shí)與地面的接觸面積大約為0.027平方米，他對地面的壓強(qiáng)為20 740帕斯卡。芭蕾舞演員足尖對地面的壓強(qiáng)超過大象，約為2.5萬帕斯卡，每平方米的受力面上受到壓力為2.5萬牛頓。人的腳板能夠承受的壓強(qiáng)很大，這是人類長期進(jìn)化的結(jié)果。當(dāng)赤腳站在碎玻璃上，只要玻璃和腳板的接觸面積比較大，產(chǎn)生的壓強(qiáng)就比較小，玻璃不會扎破腳板。

普通人表演赤腳踩玻璃可以利用一些小技巧：當(dāng)腳板接觸到玻璃的時(shí)候，適當(dāng)?shù)厍昂蠡蜃笥乙苿?dòng)，使玻璃接觸到腳板的面積增加，減少玻璃對腳板的壓強(qiáng)。單腳站立在玻璃上顯然需要更大的技巧，此時(shí)腳板面積減小為原來的一半，腳板受到壓強(qiáng)增加為原來的兩倍，但是也不會扎破腳。

[1]Leike,A. Demonstration of the exponential decay law using beer froth[J].European Journal of Physics,2002,23(1):21-26.

G642.423

B

1671-489X(2016)02-0166-02

作者：馮玉翠、盧小青，廣西民族大學(xué)理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)中心，研究方向?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)（530006）。