16.神奇的冰柱与意外烫裂的水杯

sssyeahaaa 2018-05-16

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《物理源自生活》第16篇：湖边偶遇奇异的冰柱、水杯意外烫裂、发电站的冷凝塔之间有什么神奇的联系？如何从身边学习科学知识，哪怕是意外或错误？本应当注重物理性能的物理学家却买了一个最不科学的水杯，而且还不按照科学方法烫裂了水杯。抱着“从错误中学习”的态度，与大家分享有趣的科学知识。

2月19日到23日这一周中，只有周二周三气温高，所以决定这两天去湖边跑步。周二早早地吃完午饭就出发去湖边，我跑了七、八公里，小朋友穿着新雨靴在湖边玩得非常开心。小朋友超级喜欢水，我们就沿着湖边往回走。没想到发现了2个神奇的科学实验，它与刚刚意外破裂的水杯有些关联。

1、树叶附近有冰窟窿，没树叶的冰不融化

一个有趣的现象，就是在湖面上的，并只要是有树叶的的地方就融化成冰窟窿，而没有树叶的地方，冰依然很厚。这大概是因为树叶吸收了阳光里的热量，因此将附近的冰融化。没有树叶的冰呈白色，反射阳光非常的厉害，所以冰融化的不多。湖面真是天然的科学实验，让我们如此清晰地学到光的吸收和反射产生巨大的差异。

（树叶周围的冰完全被融化，可以清晰看到水底的小石子）

（湖面上一个一个的冰窟窿，每一个窟窿里都有树叶）

2、神奇的冰柱，为什么会有冰柱？

爸爸在前面发现了一个奇特的冰柱，喊我们过去看。一开始还以为是冰沿着石头上结这样，因为以前从来没见过。很快我们又发现靠近岸边的冰基本都是这样的，轻轻弄到岸边来，表面裂纹呈各种不规则的曲线。只要用手轻轻一碰，全部碎成了冰柱了。

（一个个冰柱沿石头整齐规则地排列，很容易掰开）

（这块冰已经碎成很多不规则形状的冰柱，依然整体浮在水面上）

（弄碎的冰柱堆在岸边）

这个神奇的冰柱怎么来的，到底是在结冰还是融化过程中形成？比如结冰过程中按冰柱一个个地排列起来。冰柱的形状，很容易想到凝结核为中心。湖边路上经常会洒盐融雪，难道是这些盐分影响了结冰过程？冰的厚度约5厘米，如此厚的冰不可能是很快的速度形成的。因此冰柱小单元是在结冰过程中形成的猜测可以排除。接下来看看融化过程会不会产生冰柱？

在我们的想象中，冰融化时会变得越来越薄，最后消失，很少看到这种分裂成冰柱形状。后来上网搜索，有人介绍冰从冰库里拿出来，可能会裂开甚至爆炸。所以我猜想是冰因为气温的骤然升高而引起的。周二气温（5-21度）相比于周一温度（零下3-零上10度）升高过快，冰导热差，因此表面的冰层因气温升高而膨胀、接近湖水部分的冰层变化很小，所以垂直破裂成冰柱。与我们平常看到的气温缓慢升高过程中，冰层从表面慢慢融化，然后变薄变少到消失。周二周三连续两天高温，周三时湖面的冰已经完全融化。周二看到奇异的冰柱占了天时地利之先机。

3、大水杯意外地被烫裂开

说到冰因急剧的热胀冷缩而分裂成冰柱，不由得想起了几天前新买的水杯被开水烫裂。我喜欢泡茶喝，于是就去买了一个大水杯。挑选水杯时只考虑了（1）容量和（2）色彩，能装600毫升的水，直筒式即杯底到被口一样宽。当天小朋友也挑了一个水杯，容量也是600毫升，杯壁是斜的，杯底到杯口慢慢变宽。有了大水杯，自然就用起来了。一天早上烧好开水，放上茶叶，就拿起开水壶哗哗地往里面倒水。没想过了几秒钟，听到咔的一声，杯子破裂了。颇有点“大堤决开口子，你却无法遏制它继续裂开”的无奈。

4、大水杯为什么会烫裂开、怎么预防？

杯子裂口后自然无法再继续用了，我观察了一下它为什么会被裂开。（1）首先是开水直接倒在杯壁裂开的那个点，（2）杯子容量大、瞬间有600毫升的开水与此点接触。这2点导致了杯子裂开的那个口子处。想想以前泡茶或者冲咖啡时，都是往杯底倒、水量也没这么多。根本料不到杯子还会能被裂开，玻璃杯被蒸汽烫得裂开或者被开水裂开，很好理解，因为玻璃遇热时热导性差，受热处膨胀而没受热处不膨胀，最终玻璃不能抗拒这些差异。中国瓷器制造历史悠久，质量不错。以前倒开水泡茶对着杯底而没有把水流倾斜到杯壁上，而且也没有加过如此大量的热水，所以非常安全。

（裂口的最底端就是热水倾倒的集中点）

不禁想起了家乡给人泡茶的风俗习惯是杯子里放上茶叶、倒半杯水，泡了一会再添加满。妈妈解释是这样茶汁容易泡出来，而且端给别人时也不会洒出来。家乡泡茶的方式是不是有利于茶汁的逸出，不得而知，倒是给我一个启发：少量多次地往杯子里加热水。这样做的好处是杯子温度一点点地上升和膨胀，按照物理的说法就是加热速度变慢，比较安全。

因为水杯破了，自然想把它与容量相当的几个杯子进行一下对比，首先从形状上观察。我买的大水杯是直筒式的，杯底到杯口都是一样宽。另外2个杯子。一个杯底到接近杯口的地方是同宽的，但杯口处朝外翻、呈曲面扩展开去，另一个是从杯底往上渐渐地变宽，呈敞口式开放。