研究性课题——鸡蛋上的物理学

研究性课题——鸡蛋上的物理学 鸡蛋上的物理学 摘要:以下将从鸡蛋的构造入手，从内到外，一一“解剖”鸡蛋，仔细研究鸡蛋外壳的薄壳结构，以及鸡蛋内部物质影响其竖立等关于物理方面的问题，揭开鸡蛋身上“鲜为人知”的秘密～ 关键词:鸡蛋 物理 实验 中学物理的课程目标是提高科学素养。通过物理课程的学习，我们不仅应掌握物理知识、实验技能，了解物理研究的过程与方法，而且还应具有物理学习甚至研究的情感态度与价值观。其中最重要的是能领略自然界的美妙与和谐。美国物理学家费曼曾说:“学过科学以后，你周围的世界仿佛变了样子。”这才是科学学习的真谛。新课程提倡的从生活走向物理的思想并不仅仅是为了提高我们学习物理兴趣的权宜之策，而是对物理本真的追求。我们从鸡蛋的构造入手，同时进行了几个与鸡蛋有关的实验，增强了的物理学习兴趣，加深对概念的理解。 一、鸡蛋的构造 鸡蛋主要可分为三部分:蛋壳、蛋白及蛋黄。 (一)蛋壳: 完整的蛋壳呈椭圆形，约占全蛋体积的11%~11.5%。蛋壳又可分为壳上膜、壳下皮、气室。 (二)蛋白: 蛋白是壳下皮内半流动的胶状物质，体 积约占全蛋的57%~,58.5,。蛋白中约含蛋白质12,， 主要是卵白蛋白。蛋白中还含有一定量的核黄素、尼克酸、 生物素和钙、磷、铁等物质。 (三)蛋黄: 蛋黄多居于蛋白的中央，由系带悬于两 极。蛋黄体积约全蛋的30,~32,，主要组成物质为卵黄 磷蛋白，另外脂肪含量为28.2,，脂肪多属于磷脂类中一 的卵磷脂。对人类的营养方面，蛋黄含有丰富的维生素A 和维生素D，且含有较高的铁、磷、硫和钙等矿物质。蛋 黄内有胚珠。 二、几项神奇的实验 (一)捏不碎的鸡蛋 在多次的实验中，小组成员都进行了捏鸡蛋的实验，但结果却都失败了——没有一个人能够把鸡蛋捏破。大家都感到很奇怪，为什么捏不破捏,通过查找资料发现，这是由于鸡蛋的特殊结构——薄壳结构——所决定的。正因为是它，鸡蛋就能够把受到的压力均匀地分散到蛋壳的各个部分 薄壳结构就是曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等。壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。这在建筑工程中很常见，实际工程中还可利用对空间曲面的切削与组合，形成造型奇特新颖且能适应各种平面的建筑，但较为费工和费模板。 鸡蛋的外形就是集中中的圆顶薄壳。圆顶薄壳是正高斯曲率的旋转曲面壳，由壳面与支座环组成，壳面厚度做得很薄，一般为曲率半径的1,600，跨度可以很大。支座环对圆顶壳起箍的作用，并通过它将整个薄壳搁置在支承构件上。因薄壳结构容易制作，稳定性好，容易适应建筑功能和造型需要，所以应用较为广泛。 世界上也有许多建筑都是应用薄壳结构建造的，意大利佛罗伦萨主教堂、澳大利亚悉尼歌剧院、我国人民大会堂、北京火车站等都是运用了薄壳结构。 悉尼歌剧院 佛罗伦萨主教堂 (二)竖鸡蛋 在日常生活中，鸡蛋总是不能竖起来，这又是为什么呢,其实鸡蛋是可以竖起来的。 任何物体都是有重心的，把一个物体安放在地面上，它跟地面接触的面叫做底面。从物体的重心向地面引一条垂线，如果穿过底面，它就不会倒。萨斜塔之所以现在还没有倒，就是这个缘故。 从物体的重心向地面所引的垂线，其实就是表示地心引力的那条想像的绳子。那条想像的绳子一股劲儿地把物体往下拉，可是有底面支撑着，物体就能够稳住不动。要是那条想像的绳子越出了底面的范围，物体就被它给拉倒了，也可以这样解释，因为它的底面不能支撑它的重心所受到的地心引力，它不得不转动一下，另外找一个底面来支撑。 有的物体一碰就倒，因为一碰，它的重心就稍稍偏过一点儿，重心向地面所引的垂线就越出了底面的范围，它就让地心引力给拉倒了。一块砖直立着很容易被推倒，平放着，它就十分稳定了。因为砖在平放着的时候，底面最大，重心最低，由重心向地面所引的垂线很不容易越出底面的范围。 所以竖鸡蛋只要三个条件:底面大、重心低、重心向地面所引的垂线指向地心。 但是鸡蛋的结构很特殊,它里面有蛋白有蛋黄，蛋黄的密度小于蛋白的密度，所以任凭你把鸡蛋颠来倒去，蛋黄总是稍稍偏在上方，鸡蛋的重心因而稍向下移动。我们 把鸡蛋在桌面上扶直了，要是它那两个顶端的连结线恰好跟桌面垂直，它的重心又恰好静止在这条连结线上，我们尽管放手，鸡蛋一定竖直不倒。这样的巧合，当然更难办到了。 最终在小组成员长达近一小时的时间，终于把鸡蛋竖起来了。 (三)瓦碎蛋全 杂技表演过程中，进场会有肚上砸石、头顶开砖等绝活亮相，其中的原理是什么呢,是不是只有练过硬气功的人才能完成这些表演呢,其实我们可以通过实验来帮助我们理解其中的原理。 在桌子上摊一块海绵，在海绵上放4 个鸡蛋，在鸡蛋上再放一块海绵，海绵上放一块木板，在木板上摞三四块砖，再在砖上放一块瓦片。用锤子猛地敲击瓦片，瓦片被击碎，而下面的鸡蛋却安然无恙。这个实验与杂技中的肚上砸石、头顶开砖等有异曲同工之处。由于锤子与瓦片的接触时间较短、面积较小，破坏力主要集中在瓦片上，而向下传递后鸡蛋受力时间较长、面积较大，所以失去破坏性。 (四)惯性实验 如图所示，在装有水的杯子上放一塑料片，把鸡蛋放在塑料片上。用塑料尺猛弹塑料片，塑料片在水平方向上受力飞走，而鸡蛋在水平方向上几乎不受力，保持惯性而静止，在重力作用下而落入杯中。在此实验中，鸡蛋在水平方向上并不是不受力，而是所受的力相对很小，可忽略不记。 (五)浮力实验 如图所示，鸡蛋放在清水中会沉入水底; 若放入事先配好的盐水中，鸡蛋会浮在水面;如果配制合适的盐水，鸡蛋会悬浮在水中。也可以用鸡蛋制作浮沉子。把鸡蛋放入清水中，用长颈漏斗将少量浓度较高的盐酸注入容器底部，蛋壳中的碳酸盐与酸反应生成二氧化碳，二氧化碳附着在蛋壳上，鸡蛋所受的浮力增大，鸡蛋上浮;上浮后气体放出，浮力减小，鸡蛋下沉，如此反复。这类实验是利用鸡蛋的密度与水接近的特性。经测量新鲜鸡蛋的密度在1108 ×103 kgPm3 ,1109 ×103 kgPm3 之间，因此用鸡蛋较容易做这类实验。 (六)瓶吞蛋实验 瓶吞蛋是一个说明大气压存在的生动实验。如图所示，找一个瓶口比鸡蛋略小的玻璃瓶，点燃蘸了酒精的棉花，投入瓶中，把剥了壳的熟鸡蛋封在瓶口，瓶内的火熄 灭，温度降低，气压减小，由于瓶内外的压强差把鸡蛋压入瓶中。如果使瓶倒置，并对玻璃瓶进行加热，可以使吞入瓶内的蛋再吐出来。开始看到这一描述，我们感觉不可思议，鸡蛋硬硬的，怎么会钻进口比鸡蛋小的瓶子呢,事实确实如此。不做不知道，一做真奇妙～ (七)鸡蛋砸墙 鸡蛋那么脆弱，平时需要细心保护才不破。用鸡蛋去砸用布做的墙能行吗? 演示时让两名成员拉住布的四角，让其他的学生拿鸡蛋用力向墙上砸。由于鸡蛋的特殊结构，布与鸡蛋的接触面积较大，又加上布是悬着的，蛋与布的接触时间被拉长，根据冲量的知识，鸡蛋不会破。在实验时，我们开始不敢用力，怕鸡蛋被扔烂。当我们发现用全力扔而鸡蛋仍不破时，都感到不可思议。在演示时，布的下面两个角要向上提起，形成一个皱折，防止鸡蛋从布上落到地上而摔碎。通过实验，我们的思维更加严谨，操作更谨慎。 三、结论: 鸡蛋只是生活中常见的一种物质，生活中的许多其他物质都可以作为实验材料。只要我们注意观察，勤于思考，善于动手，就可以开发出很多有趣的实验。通过实验，我们领略了自然界的美妙与和谐，对物理学习起了促进作用。此外，进行此次研究就本身而言，可以帮助我们提高知识的综合应用能力，团队的团结协作能力，激发学习兴趣，培养探索精神，创新精神，创造能力和动手能力。