例谈趣味物理学实验

◆冯玉翠 卢小青

例谈趣味物理学实验

◆冯玉翠 卢小青

啤酒是生活中常见的物品，它蕴含丰富的物理知识，启迪科学家展开不少有益的研究。引导学生关注生活中的物理现象与实验，有利于贯彻物理与社会密切联系的新课程理念。

啤酒；物理学；新课程；实验

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

1 前言

2011年最新修订的《全日制义务教育物理课程标准》在课程基本理念中明确提出：“从生活走向物理，从物理走向社会。”生活中的物理现象与实验题材广泛，不仅能巩固深化科学知识，还有利于培养学生的实验技能，增强思维的独创性。

2 酒瓶碰撞实验

啤酒是日常生活中十分熟悉的物品，它蕴含着丰富的物理知识，但是人们对啤酒瓶却存在不少错误的理解和认识。不少电影都有类似场景：某个家伙在酒吧闹事，一个面无表情的大汉走过来，手拿酒瓶朝闹事者头上用力砸去，伴随着刺耳的尖叫和玻璃的碎裂声，镜头定格在一缕鲜血从头部慢慢涌出，闹事者手捂伤口灰溜溜地退场。

酒瓶砸头真的只是如此轻伤吗？空酒瓶砸头造成的伤害比满酒瓶的伤害小一些吗？千万不要被导演编造的场景欺骗，这个后果有可能是致命的。电影中的酒瓶砸脑袋，这些玻璃材料叫糖胶玻璃，轻轻一碰就碎成玻璃渣且并不伤人。近年来人们用合成树脂制造玻璃，在液态树脂中加入固化剂后倒在模具上成型，酷似玻璃而不伤人。

酒瓶砸头会造成哪些伤害呢？美国探索频道“流言终结者”栏目的专家应用先进的数字测量仪器，进行了空酒瓶和满酒瓶砸头的对比实验。头是人体的重要部分，为了确保安全，他们先拿假人做实验，测量砸头的力道有多大，以确定是否可以进行真人实验。他们在美式足球头盔上装一排特殊设计的加速计，用来记录头颅的所有动作。连接安全系统，用满的酒瓶去砸头盔，酒瓶没有破，显示的力道为107 G（表示这个打击力为重物本身重量的107倍）。在球场上，100 G就会造成脑震荡，所以实验不做真人测试。他们进行了酒瓶砸头造成的脑震荡、颅骨骨折、撕裂伤等三个实验。

1）脑震荡实验。

实验原理：外力施加在头部，通过颅骨进入脑部的能量大小，决定脑震荡的严重程度。

装置说明：打造一个稳定的、类似头部大小的坚固假头容器，假头容器中放入果冻脑；另外准备一杆用弹簧拉紧的机械臂，外端是一个钳子，能抓住啤酒瓶；放开插销，机械臂就直接挥向假头容器；还有能检视果冻脑摇晃的高速摄像机。观察头部移动和脑部晃动程度是否有差异，就能知道酒瓶砸头会造成多严重的脑震荡。

实验结果：满瓶与空瓶都破碎了，满瓶砸到假人的头部时，容器左右晃动，脑部留在原处，前脑撞上容器侧面，然后脑部又移往反方向；空瓶砸到头部，容器的晃动程度相对轻微。

2）颅骨骨折实验。

实验原理：头伤包括颅骨骨折，酒瓶砸在头部，颅骨直接承受外力，颅骨的损伤说明外力对头部的伤害程度。

装置说明：用一块和人类颅骨一样厚的猪颅骨来制作聚氨酯塑料颅骨；将塑料颅骨形嵌板嵌在假头容器上；为了使实验更精确，在假人头容器中加入跟人脑一样重的牛绞肉。

实验结果：满瓶与空瓶都破碎，被满瓶砸到头部，颅骨破裂，绞肉四溅；被空瓶砸到头部，颅骨没有破。

3）撕裂伤实验。

实验原理：碎玻璃接触头皮，可能会对头皮造成割伤。

装置说明：采用和人头皮性质差不多、具有吸收作用的乙烯表皮当作人头皮，在容器外贴上假头皮，并注入红色液体代替血液。

实验结果：两次测试中假头皮的伤势差异不大，都会出现皮肤割裂的外伤，鲜血直流。

由此可见，酒瓶砸头对大脑的伤害十分严重，尤其满酒瓶的质量大，打击时产生的冲击力也大，极端情况下有可能致命。

3 啤酒泡沫的物理性质

啤酒泡沫被誉为“啤酒之花”，主要成分是麦芽中的分子蛋白质。啤酒中的二氧化碳是形成泡沫的关键成分,泡沫使啤酒花的苦味和酒精的刺激变得柔和，减弱空气对啤酒的氧化。指数衰减定律是指放射性同位素按负指数规律而衰减，这项技术广泛运用于核科技和地质学等领域。

德国科学家阿德·莱克致力于啤酒泡沫消失的“数字化表达”，经过细致观察和数据收集，他发表名为“用啤酒泡沫演示衰减定律”[1]的报告，刊登在著名的《欧洲物理学》杂志上。他计算三种类型啤酒倾倒时泡沫消失的具体时间，推断泡沫呈指数式衰减，泡沫能够在玻璃容器中保留时间更长。这篇报告的意义在于：用啤酒泡沫来展示衰减定律，能向学生解释复杂的物理规律；通过不同泡沫衰减程度和快慢，也能判断这是什么牌子的啤酒。

用力敲击啤酒瓶时会产生大量气泡。西班牙马德里卡洛斯三世大学的物理学家研究发现，撞击瓶子顶部时产生的泡沫形状和原子弹爆炸的蘑菇云类似，他们用高速摄像机拍摄整个过程，详细分析蘑菇云的形成过程。科学家表示，这项研究有助于研究剧烈的气候变化。

1）悸动：敲击瓶口产生振动，振动通过液体传播，传播过程中在啤酒内部产生小气泡，小气泡不断收缩和膨胀。

2）破裂：到一定时候，气泡无法承受压力，快速破裂。

3）上升：由于气泡的表面积增大，二氧化碳很容易进入到气泡中，气泡增大后越来越轻，开始上升。

4）爆发：气泡不断上升和增大，越来越快，最终循环变得很剧烈，以至产生蘑菇云，在几百毫秒内啤酒从瓶子里喷出。

科学史上还有一个著名的啤酒泡沫触发诺贝尔奖灵感的趣味故事。1952年的一天，美国物理学家格拉泽忙完实验室工作后，随手打开一瓶啤酒解渴消遣，只见瓶内冒出的一串串气泡逐渐消失。难道再也不能产生气泡吗？他好奇地将一粒沙子扔进啤酒瓶，只见沙子下沉时，周围不断产生气泡。他投入更多的沙子，啤酒好像沸腾似的产生大量气泡。刚冒完气泡的啤酒处在不稳定状态，遇到沙子的扰动会继续产生气泡。沙子使啤酒继续产生气泡的现象，启发格拉泽投入带电粒子运动轨迹的研究中，提出气泡室理论，为原子物理提供了重要的科学手段，并因此于1960年荣获诺贝尔物理学奖。

4 脚踩碎玻璃实验

尖锐的碎玻璃是常见的危险物品，赤脚踩在碎玻璃上，普通人不需要经过任何训练，只要有足够的胆量和勇气，同样能够露一手绝活。由物理学的压强与压力关系可知，同样大小的压力，作用面积越大，单位面积上分配到的力就越小。一个体重为56公斤的成年人，双脚站立时与地面的接触面积大约为0.027平方米，他对地面的压强为20 740帕斯卡。芭蕾舞演员足尖对地面的压强超过大象，约为2.5万帕斯卡，每平方米的受力面上受到压力为2.5万牛顿。人的脚板能够承受的压强很大，这是人类长期进化的结果。当赤脚站在碎玻璃上，只要玻璃和脚板的接触面积比较大，产生的压强就比较小，玻璃不会扎破脚板。

普通人表演赤脚踩玻璃可以利用一些小技巧：当脚板接触到玻璃的时候，适当地前后或左右移动，使玻璃接触到脚板的面积增加，减少玻璃对脚板的压强。单脚站立在玻璃上显然需要更大的技巧，此时脚板面积减小为原来的一半，脚板受到压强增加为原来的两倍，但是也不会扎破脚。

[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：冯玉翠、卢小青，广西民族大学理学院物理实验中心，研究方向为物理实验（530006）。