雞蛋身上的物理學(xué)研究性學(xué)習(xí)

1、課 題 研 究 審 批 書(shū)雞蛋身上的物理學(xué)指導(dǎo)教師：袁鳳龍課題組長(zhǎng)：李智超組 員：白月池 黃奕睿 魏冰洋雞蛋身上的物理學(xué)課題組長(zhǎng)：李智超 組 員：白月池 黃奕睿 魏冰洋【中文摘要】雞蛋又名雞卵、雞子，是母雞所產(chǎn)的卵。其外有一層硬殼，內(nèi)則有氣室、卵白及卵黃部分。富含膽固醇，營(yíng)養(yǎng)豐富，一個(gè)雞蛋重約50克，含蛋白質(zhì)7克。雞蛋蛋白質(zhì)的氨基酸比例很適合人體生理需要、易為機(jī)體吸收，利用率高達(dá)98%以上，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高，是人類(lèi)常食用的食物之一。雞蛋是人們非常熟悉且取材容易的食品，也是不可多得的低成本實(shí)驗(yàn)材料。根據(jù)雞蛋的物理特征，筆者創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了一系列用雞蛋做的趣味物理實(shí)驗(yàn)，諸如用雞蛋做成的“不倒翁”、“懸浮

2、魚(yú)”、“冰凍蛋”等教具，用雞蛋進(jìn)行的“高空落蛋”、“雞蛋撞窗簾”、“輕功踩蛋”等實(shí)驗(yàn)。杠桿輕撬，一個(gè)世界從此轉(zhuǎn)動(dòng)；王冠前底，一條定力浮出水面；蘋(píng)果落地，人類(lèi)飛向太空；蝴蝶振羽，風(fēng)云為之色變；三棱鏡中折射出彩虹；大荒原上升騰起蘑菇煙塵。物理充斥在我們生活的大大小小各個(gè)角落，無(wú)時(shí)無(wú)刻都有物理的身影?？梢哉f(shuō)物理主導(dǎo)著我們的生活。吉尼斯世界記錄里也有不少人做過(guò)關(guān)于雞蛋的挑戰(zhàn)。2010年10月24日。萊蕪市鋼城區(qū)的趙文起1.87米鐵筷夾雞蛋，向吉尼斯紀(jì)錄挑戰(zhàn)。2011年1月11日：一德國(guó)人手握一枚生雞蛋同時(shí)擊碎了3摞24塊磚，打破了此前14塊磚的握雞蛋破磚紀(jì)錄。還有在鉛筆尖上立生雞蛋，到底雞蛋有多么神奇

3、呢。接下來(lái)就讓我們一一研究吧。雞蛋是人們非常熟悉且取材容易的食品，也是不可多得的低成本實(shí)驗(yàn)材料。根據(jù)雞蛋的物理特征，筆者創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了一系列用雞蛋做的趣味物理實(shí)驗(yàn)，諸如用雞蛋做成的“不倒翁”、“懸浮魚(yú)”、“冰凍蛋”等教具，用雞蛋進(jìn)行的“高空落蛋”、“雞蛋撞窗簾”、“輕功踩蛋”等實(shí)驗(yàn)?！倦u蛋的構(gòu)造】 雞蛋主要可分為三部分：蛋殼、蛋白及蛋黃。 （一）蛋殼：完整的蛋殼呈橢圓形，約占全蛋體積的11%11.5%。蛋殼又可分為殼上膜、殼下皮、氣室。 （二）蛋白: 蛋白是殼下皮內(nèi)半流動(dòng)的膠狀物質(zhì)，體積約占全蛋的57%58.5。蛋白中約含蛋白質(zhì)12，主要是卵白蛋白。蛋白中還含有一定量的核黃素、尼克酸、生物素和

4、鈣、磷、鐵等物質(zhì)。 （三）蛋黃: 蛋黃多居于蛋白的中央，由系帶懸于兩極。蛋黃體積約占全蛋的3032，主要組成物質(zhì)為卵黃磷蛋白，另外脂肪含量為28.2，脂肪多屬于磷脂類(lèi)中的卵磷脂。對(duì)人類(lèi)的營(yíng)養(yǎng)方面，蛋黃含有豐富的維生素A和維生素D，且含有較高的鐵、磷、硫和鈣等礦物質(zhì)。蛋黃內(nèi)有胚珠。 1.液體蒸發(fā)吸熱實(shí)驗(yàn)：把剛煮熟的蛋從鍋內(nèi)撈起來(lái)，直接用手拿時(shí)，雖然較燙，但還可以忍受。過(guò)一會(huì)兒，當(dāng)?shù)皻ど系乃じ闪撕?，感到比剛撈上時(shí)更燙了。分析：因?yàn)閯倱粕蟻?lái)的蛋殼上附著一層水膜，開(kāi)始時(shí)，水膜蒸發(fā)吸熱，使蛋殼的溫度下降，所以并不覺(jué)得很燙。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，水膜蒸發(fā)完畢。由蛋內(nèi)部傳遞出的熱量使蛋殼的溫度重新升高，所以感到更

5、燙手。 （PS:關(guān)于液體蒸發(fā)吸熱：液體分子之間會(huì)有一定比例的分子以共價(jià)鍵或較強(qiáng)的范德華力組合在一起，使得分子之間有一定的相互作用力，形成分子勢(shì)能。內(nèi)能，就是分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，所以，這種分子勢(shì)能也是內(nèi)能的一部分。在液體蒸發(fā)的過(guò)程中，就需要外來(lái)能量克服這種分子勢(shì)能，打斷分子之間的連接，這就需要消耗能量。這也就是液體蒸發(fā)或沸騰時(shí)吸熱的根本原理。）2.熱脹冷縮的性質(zhì) 實(shí)驗(yàn)：把煮熟撈起的蛋立刻浸入冷水中，待完全冷卻后，再撈起剝落。 分析：首先，蛋剛浸入冷水中，蛋殼直接遇冷收縮，而蛋白溫度下降不大，收縮也較小，這時(shí)主要表現(xiàn)為蛋殼在收縮。其次，由于不同物質(zhì)熱脹冷縮性質(zhì)的差異性，當(dāng)整個(gè)蛋都完全

6、冷卻時(shí)，組織疏松的蛋白收縮率比蛋殼大，收縮程度更明顯，造成蛋白蛋殼相互脫離，剝蛋殼就更方便了。根據(jù)物質(zhì)粒子最小的原子結(jié)構(gòu)來(lái)看，物質(zhì)的熱脹冷縮應(yīng)該是由物質(zhì)原子的內(nèi)部加速運(yùn)動(dòng)形成的。從原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)講，當(dāng)原子受熱后，核內(nèi)質(zhì)子和中子以及核外電子呈現(xiàn)為粒子運(yùn)動(dòng)的加速狀態(tài)。首先來(lái)說(shuō)，由于原子核的自轉(zhuǎn)以及電場(chǎng)的作用，牽引了核外電子圍繞原子核做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。原子核的自轉(zhuǎn)速度決定著外圍電子受離心力大小的變化，這也決定著原子內(nèi)核與電子層軌道之間的距離和電場(chǎng)的高低。只有原子核的自旋和外層電子的公轉(zhuǎn)受到外部能量的激發(fā)，才會(huì)構(gòu)成原子內(nèi)部的離心力和電場(chǎng)力的變化，從而也就體現(xiàn)了物質(zhì)熱脹冷縮的自然現(xiàn)象。 1，當(dāng)物體受熱后，由

7、于物質(zhì)的原子核以及核外電子層的提速運(yùn)動(dòng)，使其產(chǎn)生了很強(qiáng)的離心力，這個(gè)離心力又使核外電子層與原子核的間距拉大。當(dāng)原子核與核外電子層的距離拉大后，其原子核與核外電子層間的電場(chǎng)力就會(huì)降低，而低能級(jí)最外層軌道的電子就會(huì)脫離原子內(nèi)部電場(chǎng)的束縛成為溢出的游離電子，從而也就構(gòu)成了原子的等離子態(tài)。原子核與核外電子層距離的這一變化，也是物質(zhì)的熱膨脹變化系數(shù)。然而，物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)不會(huì)無(wú)限度的變化，當(dāng)達(dá)到最大的極限時(shí)，原子的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)就會(huì)停留在穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)平衡狀態(tài)。在一定的溫度極限下原子核與核外電子層之間建立了一種極其穩(wěn)定的電力場(chǎng)，核外電子不再溢出，電場(chǎng)之間的距離不再擴(kuò)大，原子停止膨脹繼而從原物質(zhì)的固體轉(zhuǎn)為液態(tài)。 2

8、，當(dāng)物質(zhì)的溫度降低后，原子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)速度開(kāi)始逐漸的下降，原子核的自轉(zhuǎn)速度降低，其對(duì)核外電子的離心力作用也將逐漸的減小繼而使原子核與核外電子層之間的距離變小電場(chǎng)加大，此時(shí)原子又會(huì)吸引外部空間的游離電子來(lái)補(bǔ)齊電子外層軌道的缺位電子而達(dá)到原子非等離子體的原始平衡狀態(tài)。同時(shí)，物質(zhì)又從液態(tài)逐漸的過(guò)渡到固態(tài)，這就是物質(zhì)的熱脹冷縮原理。3.驗(yàn)證大氣壓存在 實(shí)驗(yàn)：選一只口徑略小于雞蛋的瓶子，在瓶底熱上一層沙子。先點(diǎn)燃一團(tuán)酒精棉投入瓶?jī)?nèi)，接著把一只去殼雞蛋的小頭端朝下堵住瓶口?；鹧嫦绾?，蛋被瓶子緩緩“吞”入瓶肚中。 分析：酒精棉燃燒使瓶?jī)?nèi)氣體受熱膨脹，部分氣體被排出。當(dāng)?shù)岸伦∑靠冢鹧嫦绾?，瓶?jī)?nèi)氣體由于溫度

9、下降，壓強(qiáng)變小，低于瓶外的大氣壓。在大氣壓作用下，有一定彈性的雞蛋被壓入瓶?jī)?nèi)。4.浮沉現(xiàn)象 實(shí)驗(yàn)：把一只去殼雞蛋，浸沒(méi)在一只裝有清水的大口徑玻璃杯中。松開(kāi)手后，發(fā)現(xiàn)雞蛋緩緩沉入杯底。撈出雞蛋往清水中加入食鹽，調(diào)制成濃度較高的鹽溶液。再把雞蛋浸沒(méi)在鹽溶液中，松開(kāi)手后，雞蛋卻緩緩上浮。 分析：物體浮沉情況取決于所受的重力和浮力的大小關(guān)系。浸沒(méi)在液體中的物體體積就是它所排開(kāi)液體的體積，根據(jù)阿基米德原理可知物體密度與液體密度的大小關(guān)系可以對(duì)應(yīng)表示重力與浮力的大小關(guān)系。因?yàn)榈暗拿芏嚷晕⒈惹逅拿芏却?，?dāng)?shù)敖肭逅袝r(shí)，所受重力大于浮力，所以蛋將下沉。當(dāng)浸沒(méi)在鹽水中時(shí)，由于鹽水密度比蛋的密度大，所受的重力

10、小于浮力，所以蛋將上浮。5.慣性、摩擦阻力現(xiàn)象 實(shí)驗(yàn)：選用外形相似的生雞蛋、熟雞蛋各一只，放在水平桌面上。用相同的力使它們?cè)谠幮D(zhuǎn)。能迅速旋轉(zhuǎn)的是熟雞蛋，緩慢旋轉(zhuǎn)幾圈就停止的是生雞蛋。 分析：生雞蛋的殼內(nèi)是液狀的蛋清，外力作用在蛋殼上旋轉(zhuǎn)時(shí)，蛋清由于慣性，繼續(xù)保持靜止?fàn)顟B(tài)，則它與蛋殼間存在摩擦阻力作用，使整個(gè)蛋只能緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)。而熟雞蛋內(nèi)蛋清已凝固成蛋白，外力作用時(shí)旋轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)蛋就能迅速轉(zhuǎn)動(dòng)。（PS：物質(zhì)保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)叫做慣性。）6.物體的穩(wěn)定平衡 實(shí)驗(yàn)：選用一只生雞蛋，在小頭一端開(kāi)個(gè)孔并清除干凈殼內(nèi)的蛋清蛋黃。沿小孔滑入一塊重物。以蛋殼的大頭端為底部，扶好蛋殼。點(diǎn)燃一只蠟燭，滴入燭油，

11、把重物封存在蛋殼底部。燭油大約封存至整個(gè)蛋殼高度的四分之一即可。把制好的蛋殼推倒后，蛋殼能自動(dòng)立起。制成一個(gè)“不倒翁”。 分析：在空蛋殼的底端封存的重物和燭油，使整個(gè)蛋體的重心移近蛋殼的底部，重心起低，穩(wěn)定性越好。當(dāng)?shù)皻A斜，偏離平衡位置時(shí)，使蛋體的重心升高。因?yàn)榈皻さ锥耸乔蛐蔚?，在蛋體的自身重力作用下，蛋體又恢復(fù)到原來(lái)的平衡位置上。 7.分子運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象 實(shí)驗(yàn)：外殼完好的蛋，埋入食鹽中腌制一段時(shí)間，可以制成一只咸蛋。雖然蛋殼仍然完好，但連內(nèi)部的蛋黃都變咸了。 分析：因?yàn)槲镔|(zhì)的分子間存在間隙，而且分子不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，所以食鹽分子擴(kuò)散到蛋黃中，使蛋黃也變咸。 8.捏不碎的雞蛋實(shí)驗(yàn)：在多次的實(shí)驗(yàn)中

12、，小組成員都進(jìn)行了捏雞蛋的實(shí)驗(yàn)，但結(jié)果卻都失敗了沒(méi)有一個(gè)人能夠把雞蛋捏破。大家都感到很奇怪，為什么捏不破捏？ 分析：通過(guò)查找資料發(fā)現(xiàn)，這是由于雞蛋的特殊結(jié)構(gòu)薄殼結(jié)構(gòu)所決定的。正因?yàn)槭撬?，雞蛋就能夠把受到的壓力均勻地分散到蛋殼的各個(gè)部分 薄殼結(jié)構(gòu)就是曲面的薄壁結(jié)構(gòu)，按曲面生成的形式分為筒殼、圓頂薄殼、雙曲扁殼和雙曲拋物面殼等。殼體能充分利用材料強(qiáng)度，同時(shí)又能將承重與圍護(hù)兩種功能融合為一。這在建筑工程中很常見(jiàn)，實(shí)際工程中還可利用對(duì)空間曲面的切削與組合，形成造型奇特新穎且能適應(yīng)各種平面的建筑，但較為費(fèi)工和費(fèi)模板。 雞蛋的外形就是集中的圓頂薄殼。圓頂薄殼是正高斯曲率的旋轉(zhuǎn)曲面殼，由殼面與支座環(huán)組成，

13、殼面厚度做得很薄，一般為曲率半徑的，跨度可以很大。支座環(huán)對(duì)圓頂殼起箍的作用，并通過(guò)它 將整個(gè)薄殼擱置在支承構(gòu)件上。因薄殼結(jié)構(gòu)容易制作，穩(wěn)定性好，容易適應(yīng)建筑功能和造型需要，所以應(yīng)用較為廣泛。 世界上也有許多建筑都是應(yīng)用薄殼結(jié)構(gòu)建造的，意大利佛羅倫薩主教堂、澳大利亞悉尼歌劇院、我國(guó)人民大會(huì)堂、北京火車(chē)站等都是運(yùn)用了薄殼結(jié)構(gòu)。這樣看來(lái)雞蛋當(dāng)中的學(xué)問(wèn)還是非常大的。其實(shí)只要細(xì)心一點(diǎn)再細(xì)心一點(diǎn)這些都不難發(fā)現(xiàn)。生活中就是需要善于發(fā)現(xiàn)的眼睛。 個(gè)人小結(jié) 物理是一門(mén)以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)。愛(ài)因斯坦說(shuō)：“喜愛(ài)比責(zé)任是更好的教師?！痹趯W(xué)習(xí)中，有意識(shí)地引導(dǎo)聯(lián)系生活實(shí)際，分析物理現(xiàn)象；利用身邊物品，進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，都

14、能激發(fā)我們的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)習(xí)體會(huì)。 一個(gè)小小的雞蛋，就能反映出很多的物理知識(shí)。眾所周知，雞蛋是很容易碎的，蛋殼的厚度只有0.260.33mm之間，但是如果用一個(gè)手去捏，雞蛋是很難被捏破的，我感到很奇怪，真的捏不破嗎？，我從冰箱里拿出一個(gè)生雞蛋，用手握住，然后用力捏了幾下。果然，雞蛋就像是石頭一般堅(jiān)硬無(wú)比。咦？為什么脆弱的雞蛋捏不碎呢？我便開(kāi)始探尋其中的奧秘。 最終，我通過(guò)查找資料發(fā)現(xiàn)，原來(lái)這是由于雞蛋的特殊結(jié)構(gòu)薄殼結(jié)構(gòu)所決定的。正因?yàn)槭撬u蛋就能夠把受到的壓力均勻地分散到蛋殼的各個(gè)部分，因而雞蛋就不會(huì)碎了。 如何才能吧雞蛋捏碎呢？我不禁又產(chǎn)生了疑問(wèn)。 為此，我又開(kāi)始研究起來(lái)。我拿著雞蛋左捏

15、捏右捏捏，上捏捏下捏捏，可還是捏不碎。這時(shí)，我突然想起來(lái)媽媽平時(shí)在敲雞蛋時(shí)，總是拿著雞蛋的一頭，往鍋?zhàn)优赃呡p輕敲一下，雞蛋就碎了。我翻了翻物理筆記，原來(lái)，這是因?yàn)榇怪庇陔u蛋表面的壓力作用在雞蛋的某一點(diǎn)上，壓力無(wú)法均勻的分散到蛋殼的表面，而是集中在一點(diǎn)上，這使脆弱的蛋殼無(wú)法承受過(guò)大的壓力從而使蛋殼破碎。而當(dāng)用整只手握住雞蛋上時(shí)，用力一樣大，但擴(kuò)大了受力面積，從而減小了壓強(qiáng)，因此，用整只手捏雞蛋時(shí)，雞蛋不會(huì)破碎。 這就讓我們理解了壓力和壓強(qiáng)的理論：壓力一定時(shí)，改變受力面積，受力面積變小，壓力變大。受力面積一定時(shí)，改變壓力，壓力變大，壓強(qiáng)變大。 在日常生活中，雞蛋總是不能豎起來(lái)，這又是為什么呢？于是

16、我又開(kāi)始做起實(shí)驗(yàn)來(lái)。 首先，我拿出一只生雞蛋，小心的豎著放在水平桌面上?？墒请u蛋不聽(tīng)話(huà)，放上去不到1秒就倒下了，我不死心，又連著實(shí)驗(yàn)了好幾遍，都沒(méi)有成功。最終，我放棄了，可我還是要弄明白為什么。最后，我翻閱物理書(shū)籍，得出了以下結(jié)論：任何物體都是有重心的，把一個(gè)物體安放在地面上，它跟地面接觸的面叫做底面。從物體的重心向地面引一條垂線，如果穿過(guò)底面，它就不會(huì)倒。比薩斜塔之所以現(xiàn)在還沒(méi)有倒，就是這個(gè)緣故。 從物體的重心向地面所引的垂線，其實(shí)就是表示地心引力的那條想象的繩子。那條想象的繩子一股勁兒地把物體往下拉，可是有底面支撐著，物體就能夠穩(wěn)住不動(dòng)。要是那條想象的繩子越出了底面的范圍，物體就被它給拉倒

17、了，也可以這樣解釋?zhuān)驗(yàn)樗牡酌娌荒苤嗡闹匦乃艿降牡匦囊?，它不得不轉(zhuǎn)動(dòng)一下，另外找一個(gè)底面來(lái)支撐。 有的物體一碰就倒，因?yàn)橐慌?，它的重心就稍稍偏過(guò)一點(diǎn)兒，重心向地面所引的垂線就越出了底面的范圍，它就讓地心引力給拉倒了。一塊磚直立著很容易被推倒，平放著，它就十分穩(wěn)定了。因?yàn)榇u在平放著的時(shí)候，底面最大，重心最低，由重心向地面所引的垂線很不容易越出底面的范圍。所以豎雞蛋只要三個(gè)條件：底面大、重心低、重心向地面所引的垂線指向地心。但是雞蛋的結(jié)構(gòu)很特殊,它里面有蛋白有蛋黃，蛋黃的密度小于蛋白的密度，所以任憑你把雞蛋顛來(lái)倒去，蛋黃總是稍稍偏在上方，雞蛋的重心因而稍向下移動(dòng)。我把雞蛋在桌面上扶直了，

18、要是它那兩個(gè)頂端的連線恰好與桌面垂直，它的重心又恰好靜止在這條連線上，我盡管放手，雞蛋一定豎直不倒。這樣的巧合，當(dāng)然更難辦到了。對(duì)雞蛋的深入探索，我深深的體會(huì)到了看似一種不起眼的事物原來(lái)包含著這樣深刻的內(nèi)涵與價(jià)值，小小的雞蛋大大的啟迪，生活因這些不起眼的事物的存在而變得格外的美麗。 通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)我體會(huì)到了探索的樂(lè)趣，看似容易的探究性學(xué)習(xí)其實(shí)也并不像我們想象中的那么枯燥。同樣物理作為一門(mén)深邃的自然文學(xué)，等待著我們新一代的00后去為他翻開(kāi)更輝煌的一頁(yè)研究性學(xué)習(xí)課題研究情況一覽表高二年級(jí) 7/ 8 班 填表日期： 2017 年 10 月 15日課 題 名 稱(chēng)雞蛋身上的物理學(xué)備 注課題組組長(zhǎng)袁風(fēng)龍指導(dǎo)教師袁鳳龍研究主