例談趣味物理學實驗

◆馮玉翠 盧小青

例談趣味物理學實驗

◆馮玉翠 盧小青

啤酒是生活中常見的物品，它蘊含豐富的物理知識，啟迪科學家展開不少有益的研究。引導學生關注生活中的物理現象與實驗，有利于貫徹物理與社會密切聯系的新課程理念。

啤酒；物理學；新課程；實驗

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

1 前言

2011年最新修訂的《全日制義務教育物理課程標準》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象與實驗題材廣泛，不僅能鞏固深化科學知識，還有利于培養學生的實驗技能，增強思維的獨創性。

2 酒瓶碰撞實驗

啤酒是日常生活中十分熟悉的物品，它蘊含著豐富的物理知識，但是人們對啤酒瓶卻存在不少錯誤的理解和認識。不少電影都有類似場景：某個家伙在酒吧鬧事，一個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，鬧事者手捂傷口灰溜溜地退場。

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？千萬不要被導演編造的場景欺騙，這個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“流言終結者”欄目的專家應用先進的數字測量儀器，進行了空酒瓶和滿酒瓶砸頭的對比實驗。頭是人體的重要部分，為了確保安全，他們先拿假人做實驗，測量砸頭的力道有多大，以確定是否可以進行真人實驗。他們在美式足球頭盔上裝一排特殊設計的加速計，用來記錄頭顱的所有動作。連接安全系統，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，所以實驗不做真人測試。他們進行了酒瓶砸頭造成的腦震蕩、顱骨骨折、撕裂傷等三個實驗。

1）腦震蕩實驗。

實驗原理：外力施加在頭部，通過顱骨進入腦部的能量大小，決定腦震蕩的嚴重程度。

裝置說明：打造一個穩定的、類似頭部大小的堅固假頭容器，假頭容器中放入果凍腦；另外準備一桿用彈簧拉緊的機械臂，外端是一個鉗子，能抓住啤酒瓶；放開插銷，機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。觀察頭部移動和腦部晃動程度是否有差異，就能知道酒瓶砸頭會造成多嚴重的腦震蕩。

實驗結果：滿瓶與空瓶都破碎了，滿瓶砸到假人的頭部時，容器左右晃動，腦部留在原處，前腦撞上容器側面，然后腦部又移往反方向；空瓶砸到頭部，容器的晃動程度相對輕微。

2）顱骨骨折實驗。

實驗原理：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；為了使實驗更精確，在假人頭容器中加入跟人腦一樣重的牛絞肉。

實驗結果：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）撕裂傷實驗。

實驗原理：碎玻璃接觸頭皮，可能會對頭皮造成割傷。

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

實驗結果：兩次測試中假頭皮的傷勢差異不大，都會出現皮膚割裂的外傷，鮮血直流。

由此可見，酒瓶砸頭對大腦的傷害十分嚴重，尤其滿酒瓶的質量大，打擊時產生的沖擊力也大，極端情況下有可能致命。

3 啤酒泡沫的物理性質

啤酒泡沫被譽為“啤酒之花”，主要成分是麥芽中的分子蛋白質。啤酒中的二氧化碳是形成泡沫的關鍵成分,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。指數衰減定律是指放射性同位素按負指數規律而衰減，這項技術廣泛運用于核科技和地質學等領域。

德國科學家阿德·萊克致力于啤酒泡沫消失的“數字化表達”，經過細致觀察和數據收集，他發表名為“用啤酒泡沫演示衰減定律”[1]的報告，刊登在著名的《歐洲物理學》雜志上。他計算三種類型啤酒傾倒時泡沫消失的具體時間，推斷泡沫呈指數式衰減，泡沫能夠在玻璃容器中保留時間更長。這篇報告的意義在于：用啤酒泡沫來展示衰減定律，能向學生解釋復雜的物理規律；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。

用力敲擊啤酒瓶時會產生大量氣泡。西班牙馬德里卡洛斯三世大學的物理學家研究發現，撞擊瓶子頂部時產生的泡沫形狀和原子彈爆炸的蘑菇云類似，他們用高速攝像機拍攝整個過程，詳細分析蘑菇云的形成過程?？茖W家表示，這項研究有助于研究劇烈的氣候變化。

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

2）破裂：到一定時候，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，二氧化碳很容易進入到氣泡中，氣泡增大后越來越輕，開始上升。

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

科學史上還有一個著名的啤酒泡沫觸發諾貝爾獎靈感的趣味故事。1952年的一天，美國物理學家格拉澤忙完實驗室工作后，隨手打開一瓶啤酒解渴消遣，只見瓶內冒出的一串串氣泡逐漸消失。難道再也不能產生氣泡嗎？他好奇地將一粒沙子扔進啤酒瓶，只見沙子下沉時，周圍不斷產生氣泡。他投入更多的沙子，啤酒好像沸騰似的產生大量氣泡。剛冒完氣泡的啤酒處在不穩定狀態，遇到沙子的擾動會繼續產生氣泡。沙子使啤酒繼續產生氣泡的現象，啟發格拉澤投入帶電粒子運動軌跡的研究中，提出氣泡室理論，為原子物理提供了重要的科學手段，并因此于1960年榮獲諾貝爾物理學獎。

4 腳踩碎玻璃實驗

尖銳的碎玻璃是常見的危險物品，赤腳踩在碎玻璃上，普通人不需要經過任何訓練，只要有足夠的膽量和勇氣，同樣能夠露一手絕活。由物理學的壓強與壓力關系可知，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。一個體重為56公斤的成年人，雙腳站立時與地面的接觸面積大約為0.027平方米，他對地面的壓強為20 740帕斯卡。芭蕾舞演員足尖對地面的壓強超過大象，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很大，這是人類長期進化的結果。當赤腳站在碎玻璃上，只要玻璃和腳板的接觸面積比較大，產生的壓強就比較小，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：當腳板接觸到玻璃的時候，適當地前后或左右移動，使玻璃接觸到腳板的面積增加，減少玻璃對腳板的壓強。單腳站立在玻璃上顯然需要更大的技巧，此時腳板面積減小為原來的一半，腳板受到壓強增加為原來的兩倍，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，廣西民族大學理學院物理實驗中心，研究方向為物理實驗（530006）。