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鸡蛋身上的物理学

指导教师：袁凤龙

课题组长：李智超

组员：白月池黄奕睿魏冰洋

鸡蛋身上的物理学

课题组长：李智超组员：白月池黄奕睿魏冰洋

【中文摘要】鸡蛋又名鸡卵、鸡子，是母鸡所产的卵。其外有一层硬壳，内则有气室、卵白及卵黄部分。富含胆固醇，营养丰富，一个鸡蛋重约50克，含蛋白质7克。鸡蛋蛋白质的氨基酸比例很适合人体生理需要、易为机体吸收，利用率高达98%以上，营养价值很高，是人类常食用的食物之一。鸡蛋是人们非常熟悉且取材容易的食品，也是不可多得的低成本实验材料。根据鸡蛋的物理特征，笔者创造性地设计了一系列用鸡蛋做的趣味物理实验，诸如用鸡蛋做成的“不倒翁”、“悬浮鱼”、“冰冻蛋”等教具，用鸡蛋进行的“高空落蛋”、“鸡蛋撞窗帘”、“轻功踩蛋”等实验。

杠杆轻撬，一个世界从此转动；王冠前底，一条定力浮出水面；苹果落地，人类飞向太空；蝴蝶振羽，风云为之色变；三棱镜中折射出彩虹；大荒原上升腾起蘑菇烟尘。物理充斥在我们生活的大大小小各个角落，无时无刻都有物理的身影。可以说物理主导着我们的生活。

吉尼斯世界记录里也有不少人做过关于鸡蛋的挑战。2010年10月24日。莱芜市钢城区的赵文起1.87米铁筷夹鸡蛋，向吉尼斯纪录挑战。2011年1月11日：一德国人手握一枚生鸡蛋同时击碎了3摞24块砖，打破了此前14块砖的握鸡蛋破砖纪录。还有在铅笔尖上立生鸡蛋，到底鸡蛋有多么神奇呢。接下来就让我们一一研究吧。

鸡蛋是人们非常熟悉且取材容易的食品，也是不可多得的低成本实验材料。根据鸡蛋的物理特征，笔者创造性地设计了一系列用鸡蛋做的趣味物理实验，诸如用鸡蛋做成的“不倒翁”、“悬浮鱼”、“冰冻蛋”等教具，用鸡蛋进行的“高空落蛋”、“鸡蛋撞窗帘”、“轻功踩蛋”等实验。

【鸡蛋的构造】鸡蛋主要可分为三部分：蛋壳、蛋白及蛋黄。　　（一）蛋壳：完整的蛋壳呈椭圆形，约占全蛋体积的11%~11.5%。蛋壳又可分为壳上膜、壳下皮、气室。（二）蛋白:蛋白是壳下皮内半流动的胶状物质，体积约占全蛋的57%~－58.5％。蛋白中约含蛋白质12％，主要是卵白蛋白。蛋白中还含有一定量的核黄素、尼克酸、生物素和钙、磷、铁等物质。（三）蛋黄:蛋黄多居于蛋白的中央，由系带悬于两极。蛋黄体积约占全蛋的30％~32％，主要组成物质为卵黄磷蛋白，另外脂肪含量为28.2％，脂肪多属于磷脂类中的卵磷脂。对人类的营养方面，蛋黄含有丰富的维生素A和维生素D，且含有较高的铁、磷、硫和钙等矿物质。蛋黄内有胚珠。

1.液体蒸发吸热

实验：把刚煮熟的蛋从锅内捞起来，直接用手拿时，虽然较烫，但还可以忍受。过一会儿，当蛋壳上的水膜干了后，感到比刚捞上时更烫了。

分析：因为刚捞上来的蛋壳上附着一层水膜，开始时，水膜蒸发吸热，使蛋壳的温度下降，所以并不觉得很烫。经过一段时间，水膜蒸发完毕。由蛋内部传递出的热量使蛋壳的温度重新升高，所以感到更烫手。（PS:关于液体蒸发吸热：液体分子之间会有一定比例的分子以共价键或较强的范德华力组合在一起，使得分子之间有一定的相互作用力，形成分子势能。内能，就是分子热运动的动能和分子势能的总和，所以，这种分子势能也是内能的一部分。在液体蒸发的过程中，就需要外来能量克服这种分子势能，打断分子之间的连接，这就需要消耗能量。这也就是液体蒸发或沸腾时吸热的根本原理。）

2.热胀冷缩的性质

实验：把煮熟捞起的蛋立刻浸入冷水中，待完全冷却后，再捞起剥落。

分析：首先，蛋刚浸入冷水中，蛋壳直接遇冷收缩，而蛋白温度下降不大，收缩也较小，这时主要表现为蛋壳在收缩。其次，由于不同物质热胀冷缩性质的差异性，当整个蛋都完全冷却时，组织疏松的蛋白收缩率比蛋壳大，收缩程度更明显，造成蛋白蛋壳相互脱离，剥蛋壳就更方便了。根据物质粒子最小的原子结构来看，物质的热胀冷缩应该是由物质原子的内部加速运动形成的。从原子的内部结构来讲，当原子受热后，核内质子和中子以及核外电子呈现为粒子运动的加速状态。首先来说，由于原子核的自转以及电场的作用，牵引了核外电子围绕原子核做公转运动。原子核的自转速度决定着外围电子受离心力大小的变化，这也决定着原子内核与电子层轨道之间的距离和电场的高低。只有原子核的自旋和外层电子的公转受到外部能量的激发，才会构成原子内部的离心力和电场力的变化，从而也就体现了物质热胀冷缩的自然现象。

　1，当物体受热后，由于物质的原子核以及核外电子层的提速运动，使其产生了很强的离心力，这个离心力又使核外电子层与原子核的间距拉大。当原子核与核外电子层的距离拉大后，其原子核与核外电子层间的电场力就会降低，而低能级最外层轨道的电子就会脱离原子内部电场的束缚成为溢出的游离电子，从而也就构成了原子的等离子态。原子核与核外电子层距离的这一变化，也是物质的热膨胀变化系数。然而，物质的热膨胀系数不会无限度的变化，当达到最大的极限时，原子的内部运动就会停留在稳定的运动平衡状态。在一定的温度极限下原子核与核外电子层之间建立了一种极其稳定的电力场，核外电子不再溢出，电场之间的距离不再扩大，原子停止膨胀继而从原物质的固体转为液态。

2，当物质的温度降低后，原子内部的运动速度开始逐渐的下降，原子核的自转速度降低，其对核外电子的离心力作用也将逐渐的减小继而使原子核与核外电子层之间的距离变小电场加大，此时原子又会吸引外部空间的游离电子来补齐电子外层轨道的缺位电子而达到原子非等离子体的原始平衡状态。同时，物质又从液态逐渐的过渡到固态，这就是物质的热胀冷缩原理。

3.验证大气压存在

实验：选一只口径略小于鸡蛋的瓶子，在瓶底热上一层沙子。先点燃一团酒精棉投入瓶内，接着把一只去壳鸡蛋的小头端朝下堵住瓶口。火焰熄灭后，蛋被瓶子缓缓“吞”入瓶肚中。

分析：酒精棉燃烧使瓶内气体受热膨胀，部分气体被排出。当蛋堵住瓶口，火焰熄灭后，瓶内气体由于温度下降，压强变小，低于瓶外的大气压。在大气压作用下，有一定弹性的鸡蛋被压入瓶内。

4.浮沉现象

word/media/image3.gif实验：把一只去壳鸡蛋，浸没在一只装有清水的大口径玻璃杯中。松开手后，发现鸡蛋缓缓沉入杯底。捞出鸡蛋往清水中加入食盐，调制成浓度较高的盐溶液。再把鸡蛋浸没在盐溶液中，松开手后，鸡蛋却缓缓上浮。

分析：物体浮沉情况取决于所受的重力和浮力的大小关系。浸没在液体中的物体体积就是它所排开液体的体积，根据阿基米德原理可知物体密度与液体密度的大小关系可以对应表示重力与浮力的大小关系。因为蛋的密度略微比清水的密度大，当蛋浸入清水中时，所受重力大于浮力，所以蛋将下沉。当浸没在盐水中时，由于盐水密度比蛋的密度大，所受的重力小于浮力，所以蛋将上浮。

5.惯性、摩擦阻力现象

实验：选用外形相似的生鸡蛋、熟鸡蛋各一只，放在水平桌面上。用相同的力使它们在原处旋转。能迅速旋转的是熟鸡蛋，缓慢旋转几圈就停止的是生鸡蛋。

分析：生鸡蛋的壳内是液状的蛋清，外力作用在蛋壳上旋转时，蛋清由于惯性，继续保持静止状态，则它与蛋壳间存在摩擦阻力作用，使整个蛋只能缓慢转动。而熟鸡蛋内蛋清已凝固成蛋白，外力作用时旋转时，整个蛋就能迅速转动。（PS：物质保持原有运动状态的性质叫做惯性。）

6.物体的稳定平衡

实验：选用一只生鸡蛋，在小头一端开个孔并清除干净壳内的蛋清蛋黄。沿小孔滑入一块重物。以蛋壳的大头端为底部，扶好蛋壳。点燃一只蜡烛，滴入烛油，把重物封存在蛋壳底部。烛油大约封存至整个蛋壳高度的四分之一即可。把制好的蛋壳推倒后，蛋壳能自动立起。制成一个“不倒翁”。

分析：在空蛋壳的底端封存的重物和烛油，使整个蛋体的重心移近蛋壳的底部，重心起低，稳定性越好。当蛋壳倾斜，偏离平衡位置时，使蛋体的重心升高。因为蛋壳底端是球形的，在蛋体的自身重力作用下，蛋体又恢复到原来的平衡位置上。

7.分子运动现象

实验：外壳完好的蛋，埋入食盐中腌制一段时间，可以制成一只咸蛋。虽然蛋壳仍然完好，但连内部的蛋黄都变咸了。

分析：因为物质的分子间存在间隙，而且分子不停地做无规则运动，所以食盐分子扩散到蛋黄中，使蛋黄也变咸。

8.捏不碎的鸡蛋

实验：在多次的实验中，小组成员都进行了捏鸡蛋的实验，但结果却都失败了——没有一个人能够把鸡蛋捏破。大家都感到很奇怪，为什么捏不破捏？

分析：通过查找资料发现，这是由于鸡蛋的特殊结构——薄壳结构——所决定的。正因为是它，鸡蛋就能够把受到的压力均匀地分散到蛋壳的各个部分薄壳结构就是曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等。壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。这在建筑工程中很常见，实际工程中还可利用对空间曲面的切削与组合，形成造型奇特新颖且能适应各种平面的建筑，但较为费工和费模板。鸡蛋的外形就是集中的圆顶薄壳。圆顶薄壳是正高斯曲率的旋转曲面壳，由壳面与支座环组成，壳面厚度做得很薄，一般为曲率半径的，跨度可以很大。支座环对圆顶壳起箍的作用，并通过它将整个薄壳搁置在支承构件上。因薄壳结构容易制作，稳定性好，容易适应建筑功能和造型需要，所以应用较为广泛。世界上也有许多建筑都是应用薄壳结构建造的，意大利佛罗伦萨主教堂、澳大利亚悉尼歌剧院、我国人民大会堂、北京火车站等都是运用了薄壳结构。

这样看来鸡蛋当中的学问还是非常大的。其实只要细心一点再细心一点这些都不难发现。生活中就是需要善于发现的眼睛。

个人小结

物理是一门以观察和实验为基础的科学。爱因斯坦说：“喜爱比责任是更好的教师。”在学习中，有意识地引导联系生活实际，分析物理现象；利用身边物品，进行物理实验，都能激发我们的学习兴趣，加深学习体会。

一个小小的鸡蛋，就能反映出很多的物理知识。

众所周知，鸡蛋是很容易碎的，蛋壳的厚度只有0.26~0.33mm之间，但是如果用一个手去捏，鸡蛋是很难被捏破的，我感到很奇怪，真的捏不破吗？，我从冰箱里拿出一个生鸡蛋，用手握住，然后用力捏了几下。果然，鸡蛋就像是石头一般坚硬无比。咦？为什么脆弱的鸡蛋捏不碎呢？我便开始探寻其中的奥秘。

最终，我通过查找资料发现，原来这是由于鸡蛋的特殊结构——薄壳结构所决定的。正因为是它，鸡蛋就能够把受到的压力均匀地分散到蛋壳的各个部分，因而鸡蛋就不会碎了。如何才能吧鸡蛋捏碎呢？我不禁又产生了疑问。

为此，我又开始研究起来。我拿着鸡蛋左捏捏右捏捏，上捏捏下捏捏，可还是捏不碎。这时，我突然想起来妈妈平时在敲鸡蛋时，总是拿着鸡蛋的一头，往锅子旁边轻轻敲一下，鸡蛋就碎了。我翻了翻物理笔记，原来，这是因为垂直于鸡蛋表面的压力作用在鸡蛋的某一点上，压力无法均匀的分散到蛋壳的表面，而是集中在一点上，这使脆弱的蛋壳无法承受过大的压力从而使蛋壳破碎。而当用整只手握住鸡蛋上时，用力一样大，但扩大了受力面积，从而减小了压强，因此，用整只手捏鸡蛋时，鸡蛋不会破碎。

这就让我们理解了压力和压强的理论：①压力一定时，改变受力面积，受力面积变小，压力变大。②受力面积一定时，改变压力，压力变大，压强变大。

在日常生活中，鸡蛋总是不能竖起来，这又是为什么呢？于是我又开始做起实验来。首先，我拿出一只生鸡蛋，小心的竖着放在水平桌面上。可是鸡蛋不听话，放上去不到1秒就倒下了，我不死心，又连着实验了好几遍，都没有成功。最终，我放弃了，可我还是要弄明白为什么。最后，我翻阅物理书籍，得出了以下结论：任何物体都是有重心的，把一个物体安放在地面上，它跟地面接触的面叫做底面。从物体的重心向地面引一条垂线，如果穿过底面，它就不会倒。比萨斜塔之所以现在还没有倒，就是这个缘故。

从物体的重心向地面所引的垂线，其实就是表示地心引力的那条想象的绳子。那条想象的绳子一股劲儿地把物体往下拉，可是有底面支撑着，物体就能够稳住不动。要是那条想象的绳子越出了底面的范围，物体就被它给拉倒了，也可以这样解释，因为它的底面不能支撑它的重心所受到的地心引力，它不得不转动一下，另外找一个底面来支撑。

有的物体一碰就倒，因为一碰，它的重心就稍稍偏过一点儿，重心向地面所引的垂线就越出了底面的范围，它就让地心引力给拉倒了。一块砖直立着很容易被推倒，平放着，它就十分稳定了。因为砖在平放着的时候，底面最大，重心最低，由重心向地面所引的垂线很不容易越出底面的范围。所以竖鸡蛋只要三个条件：底面大、重心低、重心向地面所引的垂线指向地心。但是鸡蛋的结构很特殊,它里面有蛋白有蛋黄，蛋黄的密度小于蛋白的密度，所以任凭你把鸡蛋颠来倒去，蛋黄总是稍稍偏在上方，鸡蛋的重心因而稍向下移动。我把鸡蛋在桌面上扶直了，要是它那两个顶端的连线恰好与桌面垂直，它的重心又恰好静止在这条连线上，我尽管放手，鸡蛋一定竖直不倒。这样的巧合，当然更难办到了。对鸡蛋的深入探索，我深深的体会到了看似一种不起眼的事物原来包含着这样深刻的内涵与价值，小小的鸡蛋大大的启迪，生活因这些不起眼的事物的存在而变得格外的美丽。

通过这些实验我体会到了探索的乐趣，看似容易的探究性学习其实也并不像我们想象中的那么枯燥。同样物理作为一门深邃的自然文学，等待着我们新一代的00后去为他翻开更辉煌的一页

研究性学习课题研究情况一览表

高二年级7/8班填表日期：2017年10月15日

鸡蛋身上的物理学（研究性学习）