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刍论热水瓶中隐含的物理“奥秘”
　　[摘 要]热水瓶起源于“杜瓦瓶”，给日常生活带来了巨大便利。文中针对热水瓶的保温、空瓶胆嗡嗡声、瓶塞弹跳、瓶胆沸水烫不易裂等物理现象，从物理学知识的的角度，探讨了热水瓶现象中隐含的物理“奥秘”，以期对物理知识学习有所帮助。 中国论文网 /1/view-7288066.htm　　[关键词]热水瓶 物理现象 保温原理 瓶塞弹跳 奥秘 　　中图分类号：G269 文献标识码：A 文章编号：X（72-010 　　引言 　　热水瓶是人们生活中重要的日常用品，其瓶胆为双层玻璃瓶胆，两层之间抽成真空状态，并镀银或铝等材质，盛在里面的热水温度可以保持一定时间内不变，简单而实用。一只小小的热水瓶带给了生活巨大便利，同时也让人好奇：它为什么能够保温、空瓶胆何来嗡嗡声、瓶塞弹跳现象，瓶胆沸水烫不易炸裂等问题。为此，本文从热水瓶起源谈起，探讨热水瓶中隐含的物理“奥秘”，这对物理知识学习大有裨益。 　　一、热水瓶：为实验而生 　　1892年，苏格兰物理学家詹姆斯?杜瓦（James Dewar）第一次在-24℃的低温下，使压缩氢气变成液体――液态氢。为了保存这些液态氢，杜瓦开始着手研制一种能保持温度的瓶子来储存液态氢。但是，普通的玻璃瓶本身具有传热性质，无法保证瓶内温度与外界温度隔绝，瓶内温度很便发生变化。经过几天思考，杜瓦决定请玻璃技师伯格为他吹制一个双层玻璃容器，并抽掉两层玻璃之间的空气，从而依靠真空特性起到防止冷热对流传导的目的。然而，新制成的玻璃瓶装入液态氢，并加盖一个塞子后，温度很快便变化了。杜瓦继续缜密思索，发现有一种因素即热的辐射影响了保温，于是他在真空的隔层里涂上了一层银，使容器壁好像镜子一样，能把热射线反射回去，以便阻断热辐射的通路。这样，传热的三条通道即对流、传导、辐射都被堵住，瓶内胆则较长时间保持着原来的温度。重新制作的真空瓶即“杜瓦瓶”，使得盛在里面的液体不论冷、热温度均能保持一定时间内不变，终于达到了实验要求。 　　1904年，德国人柏格看到“杜瓦瓶”的潜在市场，便将这种玻璃容器的专利买下，重新起名为“瑟莫斯”，准备市场销售。同时，他考虑到玻璃瓶胆很容易碎裂，于是用镍制造外壳，用来保护瓶胆。当年，柏格的THERMOS公司制造了第一个商用保温瓶，产品主要面向实验室、医院和探险队等，市场销售获得了巨大成功，很快便销往世界各地。直到1925年，大众化的廉价塑料热水瓶开始走进平常百姓家庭，对热水的保温效果可达十几个小时，这给人们的日常生活带来了极大便利。 　　二、耳贴空瓶口，嗡嗡声现象 　　生活中，大家在挑选热水瓶时，经常把耳朵贴在瓶口听瓶胆内的响声，“嗡嗡”声越大，则说明该瓶胆的保温效果越好。空空的热水瓶瓶胆内，用我们的眼睛根本看不到任何发声体，耳朵挨近瓶口却能听到嗡嗡声，这是为什么？ 　　根据物理声学知识，声波传播需要靠媒质，即真空无法传播声音，并且声波在传播过程中遇到障碍物则会发生反射。同时，相距不远的两个发声频率相等的物体，若使其中的一个发声，则另一个也跟着发声，亦即声音的共鸣现象。而我们周围是一个充满声音的世界，每时每刻都存在着各种频率的声音，总会有一些声音通过空气传播到瓶胆内。热水瓶空瓶胆里看起来没有声体，但其中充满了空气（空气柱），空气柱也会同附近的发声体共鸣。当这些声音进入到瓶胆内，便会引内瓶胆内空气柱共鸣，微弱的声音通过共鸣后被加强了许多，与此同时，这些声音遇到很光亮的镀银面时，就会在瓶胆内发生频频地反射，而不能透过高真空的玻璃夹层，于是在瓶胆内就形成了更强的交混回响声，足以引起我们的听觉感知，甚至“嗡嗡”声很大。热水瓶瓶胆内镀银面的光亮度越高，夹层里的真空度越高，声波反射效果就越好，声波损失也越小，空气柱共鸣现象越明显，听到的“嗡嗡”声也自然更大，进而可判断出瓶胆的质量就更好。反之，当听到的“嗡嗡”声越小，则说明热水瓶子的瓶胆质量相应越差。可见，我们耳贴空瓶口听嗡嗡声大小的做法，充分利用了物理声学知识来辨别瓶胆的好坏，具有科学性。 　　三、瓶塞往上跳，何物在作祟 　　一般情况下，大家往热水瓶内灌开水，会把水灌到离瓶口3-4厘米处，可以比灌满至瓶口多保温5-7小时，这巧妙利用了瓶内水的热量向瓶口传递，空气的传热系数远小于水的传热系数。然而，没灌满开水的热水瓶，把软瓶塞刚塞上，常常会“噗”的一声跳了出来，而且软瓶塞盖得越紧，上跳得越厉害，这是为什么？ 　　这种现象多发生在向热水瓶灌刚烧开的热水时（未满），究其原因：盖软瓶塞过程中，瓶内的刚烧开的热水储存热量大，水分子活动剧烈，化为气体的水分子很是活跃，大量的水蒸气冒出跑出来，同时瓶口部位的一股冷空气陆续地钻进瓶中，此时盖紧软瓶塞，这部分冷空气如同水一样有热胀冷缩的性质，遇到热开水体积就会飞快地膨胀，同时热开水热量迅速释放，使部分水分子由液态转变为气态形式，而同质量的物质（水），气态所占的体积远远大于液态，对瓶塞的向上压力在双重作用下增大。当瓶内压力快速大于瓶外压力和软瓶塞力时，膨胀了的空气和热的水蒸气就把热水瓶塞顶出来，压强也越大，气体对木塞的顶撞作用也就越强，木塞就跳得越高。为避免跳塞现象，在向热水瓶灌入热开水时，想办法让热水瓶内外的压强相等即可。 　　同理，如果冬天热水瓶内灌入开水（未满），过一段时间后瓶内水变凉了，水瓶里的压强大幅度减小，结果外界的大气压大于内部气压，也会发生软瓶塞很难拔出的现象。 　　四、瓶胆沸水烫，不容易炸裂 　　冬天，玻璃杯或者玻璃茶壶之类容器，往里倒沸水，经常会炸裂，而热水瓶瓶胆哪怕是用上十年，反复冲入上万次的沸水，也基本不会出这种现象，这里面隐藏着什么物理学知识呢？ 　　究其原因，主要存在三个方面：①厚玻璃与薄玻璃的区别：普通的玻璃杯或者玻璃茶壶之类容器，玻璃的厚度较大，其内外壁受热膨胀程度不同步且差别也较大，受热不均匀产生的内应力很容易使它破裂；而热水瓶瓶胆几乎全部采用薄玻璃制成，瓶胆内外壁受热后体积膨胀很快同步，倒入沸水后瓶胆也就不易炸裂了；②特殊金属膜作用：热水瓶瓶胆采用双层玻璃，在玻璃背面镀有硝酸银、银或铝等金属膜，很好地利用金属传热快的特点，使内胆各部分受热均匀，不易产生内应力，因而不容易炸裂；③玻璃自身材质不同：通的玻璃杯或者玻璃茶壶之类容器，其材质为普通玻璃，没经过特殊的生产工艺，其材料的机械强度抵抗不了遇到沸水热量膨胀应力的作用时，即会产生炸裂或破碎现象；而热水瓶瓶胆多采用高硼硅玻璃，所含硼和硅的比例占98%，这种玻璃可以耐受正负温差最高150℃，从冰箱冷冻室里拿出来可以直接装100℃的沸水，同时经过一些工艺的处理，使内胆各部分受热均匀，不易产生内应力，故倒入沸水不容易炸裂。 　　结语 　　纵观全文，笔者针对热水瓶的保温、空瓶胆嗡嗡声、瓶塞弹跳、瓶胆沸水烫不易裂等物理现象，从物理学知识的的角度揭示出其中隐含的物理“奥秘”，让现象回归本质。一只小小的热水瓶，却蕴含着如此多的物理学知识。可见，只要我们平时多留心、多观察、多思考、多分析，就能弄明白许多似乎神秘的事物的道理，积累很多物理知识。 　　参考文献 　　[1] 胡世龙.暖水瓶使用中所涉及的物理知识[J].数理化学习，2008，（08）：33-34. 　　[2] 蔡子君.热水瓶为什么能保温[J].少儿科技，2011，（05）：19-20. 　　[3] 倪六红.热水瓶软木塞弹出的原因探究[J].物理教师，2003，（06）：39-40. 　　[4] 聂涛.浅议保温瓶上的物理知识[J].中学物理，2012，（11）：80-81. 　　[5] 马皓.关于保温瓶的趣味热力学问题探讨[J].物理教学探讨，2009，（01）：70-72.
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物理老师用矿泉水瓶为同学们演示了以下实验，请回答下列问题：（1）在矿泉水瓶内装半瓶沙子，拧紧瓶盖，用厚毛巾包住，手握毛巾用力快速晃动瓶子约五分钟后，沙子变热，这是通过________（填“热传递”或“做功”）的方式使沙子内能增加的。（2）用矿泉水瓶从饮水机接水的过程中，听到瓶中传出的声音的音调越来越________。（3）如图所示，将细线系在矿泉水瓶下部，沿水平方向拉动细线使其沿同一水平桌面匀速移动，发现拉满瓶水比拉半瓶水需要的力大，此现象表明在接触面的________相同时，________越大，滑动摩擦力越大。
主讲：李邦彦
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