对一道物理习题的实验探讨

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  1 问题的由来
  现在九年义务教育八年级上期所使用的人教版教材《物理》,第四章第二节的课后练习动手动脑学物理第一题(P85面):有人说,融雪的天气有时比下雪还冷,这种说法有道理吗?
  对这道题,相应的教学参考书《物理.八年级上册.教师教学用书》,在书中173面给出的参考答案是:这种说法是有道理的,因为雪熔化时,吸收大量的热,使空气温度降低.
  笔者生活在南方,每年冬天,会下一、二场雪.每次下雪时,冷得要命,一心只盼望早日天晴.天晴雪开始融化,人感觉暖和多了,这不与题的参考答案相矛盾了吗?一方面是具有权威性的参考答案和不容置疑的物理常识:雪融化是固体熔化,熔化吸热;另一方面是是多年生活形成的直觉.这种矛盾一直困惑着笔者,试图找出其中的奥秘.物理学科是一门以实验为基础的科学,它的一切观点、理论都是建立在实验基础之上的,笔者决定设计一实验来探讨这一问题.
  2 实验设计
  由于人体的复杂性,特别是人体对冷热的感觉,不好用实验精确测定,用实验数据直接表示出来.根据人体生理知识可知,,人体感觉冷、热,其实是人体感觉散失、获得热量的速率,散失、获得的热量速率越大,人体就越觉得冷、热.根据这点,笔者采用模拟实验法,用一桶温水(水温接近人的正常体温)来代替人体,选择较为典型的下雪天和融雪天,保持其他条件相同,每隔一段时间用体温计精确测量桶内水温,比较这两种天气状况下桶内水温的变法,某种天气状况下水温下降的快,表面桶的热量散失的快,意味着人在该天气状况下,人体会感觉更冷;反之,则意味着人体感觉相对暖和些.
  3 实验及实验数据
  2011年1月15号,笔者所在地下大雪.正下雪时,笔者用一白色塑料桶,装25 kg温水,加盖密封,置于室外走廊上,不与雪直接接触.用水银温度计测得当时室外温度为—1 ℃.用体温计测桶内水温,每隔10 min测一次.测得数据如下表1:
  从表中数据可以得出,水温下降速率为0.6 ℃/10 min.
  2011年1月22号,气温回升,雪开始融化,测得实验时气温为5 ℃.桶置于原地,不受阳光直射,保持其他条件与上次实验相同,测得水温变化如下表2.
  综合两次实验数据可以看出:下雪时气温低,桶内水温下降速率(0.6 ℃/10 min)大于融雪时桶内水温下降速率(0.5 ℃/10 min).换成人体感觉,应当是下雪时人体热量散失得快,感觉更冷.这样的实验数据和由此得出的实验结论,显然与习题的参考答案相矛盾了.
  4 对实验结果的分析
  笔者通过网上搜索有关气象资料和知识,得知:
  下雪时由于高空中温度低,云中有大量的微小冰晶,同时云中水汽超过饱和度,水蒸气在冰晶上凝华,使冰晶增大.当冰晶增大到上升气流托不住时,冰晶就会以雪的形式飘落下来.地面附近的温度高于0 ℃时,冰晶就会全部或部分融化,就成了下雨或雨夹雪,这与题中条件不符.只有地面附近空气温度为0 ℃或0 ℃以下时,冰晶下落不会融化,成为单纯的下雪天.
  融雪,即冰的熔化,熔化需吸热.当气温高于0 ℃时,空气中的热量传递给雪,使雪融化.在雪的融化过程中,空气温度始终要高于0 ℃,根据热的传导可知,热量是从高温物体传导给低温物体.否则,空气中的热量不能传导给雪,雪就不能继续融化了. 
  综上所述,下雪时,地面附近的温度低于0 ℃,与人体的温差大,人体的热量散失快,人体感觉冷.实验数据为0.6 ℃/10 min,二者是相符的.融雪时,地面附近的温度高于0 ℃,与人体的温差相对来说要小些,人体散热慢,人体感觉相对暖和些.这与实验数据0.5 ℃/10 min是一致的.现在有实验数据和理由能认定教学参考书的参考答案是错误的.它忽略了两个重要的方面:一是下雪凝华放热,这一放热并不是主动的,是由于周围的冷空气吸收了水蒸气的热量.冷空气同样能吸收人体的热量,使人体的感觉冷.二是融雪是固体熔化吸热,是因为周围的空气温度高于0 ℃,有热量可让雪吸收.这一巨大的热量源同样能使人体散热变慢,人体感觉就相对暖和些.
  该题其实来自于一句谚语:“下雪不冷融雪冷”.谚语是人们长期生活经验的总结,往往缊含着一定的科学道理.笔者认为有时融雪天还冷些,是以下几方面的原因造成的.
  4.1 辐射散热的原因
  融雪天一般是晴天,由于夜间辐射散热,早上气温比下雪时还低,因此人体感觉更冷.人们习惯于把这一整天称为融雪.
  4.2 刮风的原因
  查阅气象资料可知,下雪时一般风速小,而雪后的晴天,往往有风.风加快了热的对流,在相同的气温下,刮风会使人体感觉更冷.
  4.3 人的心理预期原因
  融雪了,认为天已经变暖和了,其实温度还是很低.人们的希望遇到了挫折,在心理上感觉更冷.
  4.4 空气湿度的原因
  在相同气温下,空气湿度越大,人体感觉越冷.下雪时刮西北风,地面附近的空气干燥,湿度小.融雪时,刮西南风,空气湿度大.
  这道习题并不是原创题,而是一道流行很久的常见习题.笔者教初中物理多年,在各种教辅书、考试练习卷中,多次见到过类似习题.只可惜没有查到该题的最早出处.笔者深感疑惑:这样一道经不起实验检验,在理论上也漏洞百出的习题,何以在中国物理学界流行多年,最后竟然进入权威性的物理教科书中.为了不让一代代学子受误导,以讹传讹,笔者特撰此文,望能引起同行注意,抛砖引玉.如能纠错,万感欣慰.
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