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梭哈中国教育报:巧解“巧克力相变滞后”之惑

文:学生记者 游晓鹏 / 来源:新闻中心 / 2017-07-03 / 点击量:1134

  编者按:2017年7月3日出版的《中国教育报》第6版,以《巧解“巧克力相变滞后”之惑》为题,报道了入选著名SCI教学期刊《欧洲物理杂志》2016年度Highlights,由梭哈游戏物理电子学院2012级本科生任瑞龙、逯群峰撰写的教学研究论文《巧克力相变中的滞后》的研究过程和成果,全文如下:

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  存放在24℃下的巧克力,就已开始呈慢慢融化之态。

  然而,当完全融化的巧克力从30℃降温到24℃时,却不会发生凝固,只有继续降温到10℃左右时才会凝固。这就是巧克力“相变”中的“滞后现象”。

  这一“滞后现象”,不仅会影响巧克力的保存,还会影响巧克力的口感。究竟是何原因造成这一“滞后现象”?

  梭哈物理电子学院2012级本科生任瑞龙、逯群峰发表的教学研究论文《巧克力相变中的滞后》日前成功入选著名SCI教学期刊《欧洲物理杂志》2016年度Highlights,即对这一“滞后现象”进行了揭秘。

  从普通的巧克力到高大上的Highlights论文,对于任瑞龙、逯群峰来说,这是一场科研之路上的有趣的曲折攀升。

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  图为注满水的乒乓球放入用恒温水浴箱加热的巧克力样本中作为“测量仪器”(图①),以及温度跳变3次后,对乒乓球沾有巧克力区域的直径进行测量(图②)。

相变滞后 有趣的竞赛题目

  说起“巧克力相变中的滞后”问题,还要追溯到2014年中国大学生物理学术竞赛。该大赛参照第27届国际青年物理学家锦标赛的规则和题目,在力、热、光、电等物理分支下共设了17个开放性题目,“巧克力相变中的滞后”即是其中之一。

  当时,作为梭哈物电学院2012级本科生的任瑞龙和逯群峰,在该学院吴喆、李业凤等老师的遴选中双双入选成为本校参与竞赛的团队成员。“按照比赛规则,有些题目本来是可以放弃的。实际上,有两道题我们的准备就不够充分,其中之一就有‘巧克力相变滞后’问题。”任瑞龙介绍,由于受比赛时间和场地限制,他们没有充足时间对该问题进行深入研究,而且当时找到的很多理论,都无法完全从微观上对这一现象进行解释。

  在实际参赛中,绝大多数参赛队伍在遇到“巧克力相变中的滞后”问题时都纷纷选择了放弃。而展示这道题的队伍,也因缺乏理论支持,只得到了很低的分数。

  “这道题目真的是令我们印象深刻。”逯群峰说,虽然比赛结束了,但是他们对这一问题却始终“耿耿于怀”。

深入钻研 唯象理论巧揭秘

  竞赛虽然结束了,但任瑞龙、逯群峰对“巧克力相变中的滞后”现象研究却悄悄拉开了帷幕。

  “这是一项比较大的挑战,也是一个十分有趣的问题。”任瑞龙表示,高难度和趣味性极大地激发了他们的斗志。那么,深化研究该从何处着手?

  任瑞龙和逯群峰回想并分析大赛过程中的情况发现,问题的关键在于找到一种恰当的理论进行科学合理的解释。于是,二人向该校滕保华教授请教,得到了一个重要提示:巧克力相变的图像和“朗道—德冯谢亚唯象理论”图像非常相似。

  这一点拨无异于黑暗之中的火把,照亮了二人的科研之路。经初步研究,二人发现巧克力相变中的滞后现象和“朗道—德冯谢亚唯象模型”之间的确存有很高的契合度。但怎么找到这种内在的关联?二人绞尽脑汁苦思冥想。

  理清思路是科研顺利进行的重要保障。经过一番讨论商定,二人决定先从微观和宏观两个层面着手查询资料。“经参考大量研究成果,我们发现巧克力本身是很复杂的混合物,包含可可脂、蛋白质等丰富成分,仅考虑其中某一种成分的相变性质是不合理、不科学的,得需要考虑每一种成分的相变性质又会产生大量的变量才行。”逯群峰表示,这着实将研究难度提高了一个等级。

  几经商讨,任瑞龙和逯群峰最终选用唯象理论进行解释,即跳出对微观细节的讨论,从宏观层面进行研究,通过建立平方反比关系,把实验变量与理论模型参数紧密相连,使实验曲线与理论曲线更好吻合,从而得到“巧克力相变中的滞后”现象的唯象解释。

巧设实验 小器材灵活运用

  有了理论支撑,如何用实验验证则是下一步研究关键。

  为此,二人设计了一个巧妙的实验装置——把加热融化后的巧克力放入培养皿,敷平表面后放入冰箱里凝固作为样本。然后,取一个乒乓球,用针管注满水,作为“测量仪器”。

  一切就绪后,开始用恒温水浴箱加热巧克力样本,在达到要求温度并保持3秒后,从恒温水浴箱拿出培养皿,轻轻地放入乒乓球,乒乓球则会在逐渐融化的巧克力上压出一个窝。在温度跳变3次后,取出并测量乒乓球沾到巧克力圆形区域的直径即可完成实验。

  “就这一项实验,我们反复做了一个月,每次实验都得用一盒巧克力。”任瑞龙笑说,用掉了不少巧克力,但获得了大量有用数据并证明了实验结果图像和“朗道—德冯谢亚唯象模型”非常吻合,值了。

  结论一出,任瑞龙和逯群峰对之前的理论设想更加有信心了。课余时间,二人都在一起研写相关研究论文,反复推敲修改。在滕保华教授的指导和帮助下,历经40余遍修改,《巧克力相变中的滞后》研究论文才得以出炉。

  “这是一次很有趣的学术探险,既是学术历练,是我们科研生涯的重要支撑,更是我们对未知世界探索的原动力。”逯群峰回想起从实验到论文完成的全过程,满怀感慨,对科学研究也满怀期待。


编辑:林坤  / 审核:林坤  / 发布者:林坤

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