女中学生破解难题：热牛奶为何比冷牛奶先结冰

黄曾新老师正在指导庾顺禧（左一）黄佳雯（右二）叶莎莎（右一）分析实验报告
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观察电子仪器记录的实验数据

用三色杯来查验液体在冰箱内的结冻情况

　　热牛奶为何比冷牛奶先结冰？在《十万个为什么》中被称为奇怪的“姆潘巴现象”，近日在老师指导下得到解答——3名高中女生破解世界疑题

　　实习生曹刚 本报记者 姚阿民文 纪海鹰摄

　　在许多版本的《十万个为什么》里都会提到同一个带有传奇色彩的故事：1963年，坦 桑尼亚的一位初三学生在制作冰淇淋时意外发现，热牛奶比冷牛奶先结冰。这个奇怪的现象后来以这位学生的名字命名——姆潘巴。42年后，3位上海的女中学生在老师指导下向同龄人姆潘巴发起了挑战。

　　一拍即合 师生课题组诞生

　　叶莎莎、庾顺禧和董佳雯都是从《十万个为什么》中第一次认识姆潘巴的，当时她们还在读小学。“感觉姆潘巴现象很难解释，但却从来没有怀疑过。因为小时候总认为书上写的都不会错。”这位曾获得过世界工程师大会未来工程师论坛第二名、来自向明中学高三的叶莎莎笑着回忆起了童年。

　　向明中学高二年级的庾顺禧同样也是多年的科创高手，在去年的上海市第五届中学生科学课题研究评比中，她个人有3件作品获奖。其中的多种脚控式自翻乐谱架和便携式家用电器安全电压检测器都受到了广泛好评。去年参加比赛的过程中，小庾无意间看到了其他同学做的姆潘巴研究，“当时很受启发，也很感兴趣，心里就有些蠢蠢欲动了。”

　　高二女生董佳雯目前就读于上海中学。她从小就是个生活中的有心人。看奥运会击剑比赛，见到中国选手多次受到裁判的不公正待遇，不平之余，她想到去改进击剑裁判的积分系统；数码照相机因误操作丢失了不少珍贵照片，顿足之后，她想为数码照相机设计一个“回收站”，便于“亡羊补牢”。

　　向明中学的科技指导老师黄曾新对姆潘巴现象关注已久，在一次课外课题研究过程中，他与学生聊起了姆潘巴，当时就引起了叶莎莎、庾顺禧和董佳雯的强烈兴趣。为了解决同一个世界性难题，4位师生“一拍即合”，课题组在去年11月初宣告诞生。

　　双管齐下 设备资料均备齐

　　“兵马未动，粮草先行”，3位女生通过查阅网上资料，选择了课题实验用的一些必需设备。向明中学领导得知这个课题后给予了全力支持，价值不菲的12点自动温度记录仪、带有温度显示的无霜电冰箱、温度传感器和电子天平秤等设备都在第一时间全部到位，学校为此共耗资6000余元。

　　通过互联网，她们查阅了大量的资料，没有发现权威的解释。尤其令人不解的是，几乎每年都有人撰写论文研究姆潘巴现象，但没有人进行定量分析，都缺乏令人信服的科学实验数据，也没有强有力的理论依据。随后，3位同学分头尝试用家用冰箱做实验，结果令人兴奋：热水和冷水几乎同时结冰——没有出现姆潘巴现象。初次实验的结果使她们产生深入研究姆潘巴现象的欲望。

　　设备和资料的准备工作双管齐下后，终于万事俱备、只等“开工”了。

　　三色“神”杯 制作实验全靠它

　　“三色杯”，一种普通的冰淇淋。炎夏的消暑良方在寒冬里找到了用武之地，发挥出了“一杯三用”的“神”效。

　　第一用，做实验容器。走进工作室，好几只空的“三色杯”零乱地散落在桌子上，显眼的同时还散发出淡淡的奶香。“这几个月里每天都和‘三色杯’打交道，估计以后再也吃不下了。”叶莎莎说。除了体积略显庞大的“三色杯”外，小一号的冰淇淋杯子也很受欢迎。

　　第二用，做液体原料。因为姆潘巴是在做冰淇淋的时候发现问题的。为了充分接近当时的操作条件，用冰淇淋来做实验理所当然。但谁也没做过冰淇淋，需要哪些原材料呢？最简单的办法就是买来现成的冰淇淋，等它融化之后就能循环利用了。价钱实惠的“三色杯”便“脱颖而出”。

　　第三用，突破瓶颈。课题在进行到一半时遭遇瓶颈。虽然实验表明是否加糖和加糖后是否搅拌都会对液体冰点产生影响，从而改变其结冰速度。但糖对液体结冰的干扰程度还不够明显，直到“淀粉”这个重要变量的出现。发现淀粉也多亏了“三色杯”。由于同样温度同样重量的冰淇淋总比纯牛奶先结冰，这就引发了3位同学的思考。偶然的机会，她们在“三色杯”的配料说明中看到了“淀粉”，试了以后茅塞顿开：原来正是淀粉的存在大大加快了液体结冰的速度。

　　四人攻关 探寻为何先结冰

　　3位同学的大半个寒假都是在实验室与黄曾新老师共同度过的。超过100次的实验最终换来的是上万个宝贵的数据。开学前，实验阶段结束，课题组迎来更为枯燥的数据分析阶段。

　　虽然有先进的自动化仪器相助，但万千数据的整理、分析和总结还是颇为麻烦。暂且不论课题组精心绘制11张分析示意图花费了多少时间，只需节选论文的“数据记录分析”部分，其繁琐程度就可见一斑：冷、热纯牛奶对比；冷、热含糖牛奶对比；冷、热无糖、无淀粉牛奶对比；冷、热含糖、含淀粉牛奶对比；冷、热纯水对比；冷、热糖水对比；冷、热盐水对比；冷的纯水与纯牛奶对比；有糖冷、热淀粉与无糖冷、热淀粉对比……

　　严密的分析之后，结论水到渠成：同质同量同外部温度环境的情况下，姆潘巴现象不会出现，不可能热的液体先结冰。

　　此外，课题组还分析了姆潘巴现象之所以产生的3种可能情况：

　　冰箱温度并不均匀，如果姆潘巴将其冰盒正巧放在冷却管附近，甚至与冷却管相接触，完全有可能热牛奶比冷牛奶先结冰；

　　如果姆潘巴不喜欢吃甜，在冰淇淋中少放了糖，或者因为匆忙没来得及搅拌、糖粒沉在盒底形成固体，实验证明可先结冰；

　　姆潘巴自制的冰淇淋中不仅牛奶加糖，还加入了淀粉类物质，在其少放糖、少放牛奶时会先结冰。

　　共同愿望 想与姆潘巴联系

　　“希望我们这个课题研究结束后，姆潘巴现象可以不用再讨论了。”57岁的黄曾新老师豪言万丈。如果课题组的结论能得到专家的认可，那就意味着围绕姆潘巴现象长达42年的争论即告停止，这无疑是对黄老师和他3位得意门生的最好回报。

　　上海市第20届青少年科技创新大赛即将在本月拉开帷幕，凭借这个研究成果在比赛中力拔头筹是黄老师近期的另一个心愿。“我们的目标是要代表上海参加全国比赛，并且能进一步走向世界。目前看来很有希望。”黄老师的信心并非空穴来风，据他介绍，近几年有3篇关于姆潘巴现象的论文获得了上海乃至全国的大奖。“与获得上届全国科创大赛一等奖的文章相比，无论从研究方法、实验数据、最终结论等任何一个方面，我们的论文都要领先一步。”

　　“参加比赛当然想赢，那也是对自己实力的证明。就算成绩不够理想，我也没有遗憾。因为通过课题的研究，我在动手能力、思维水平、团队精神等多方面都有所提高，这些对我们今后迈向社会都是很有帮助的。”

　　3位同学还表达了一个共同的心愿：“如果有机会，想和姆潘巴本人取得联系，我们来共同做一次实验。”

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　　姆潘巴现象的由来

　　1963年，坦桑尼亚的马干巴中学三年级的学生姆潘巴经常与同学们一起做冰淇淋吃。他们总是先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷却后倒入冰格中放进冰箱冷冻。有一天，当姆潘巴做冰淇淋时，冰箱冷冻室内放冰格的空位已经所剩无几，一位同学为了抢在他前面，竟把生牛奶放入糖后立即放在冰格中送进了冰箱。姆潘巴只得急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖，等不及冷却，立即把滚烫的牛奶倒入冰格送入冰箱。一个半小时后，姆潘巴发现热牛奶已经结成冰，而冷牛奶还是很稠的液体。

　　他去请教物理老师，为什么热牛奶反而比冷牛奶先冻结？老师的回答是：“你一定弄错了，这不可能。”后来，姆潘巴进高中后又向物理老师请教，得到的回答仍是：“你肯定错了。”当他继续与老师辩论时，老师讥讽他：“这是姆潘巴的物理问题。”一个极好的机会终于来到了，达累斯萨拉姆大学物理系主任奥斯玻恩博士访问该校，姆潘巴鼓足勇气向他提出问题：如果取两个相似的容器，放入等容积的水，一个处于35℃，另一个处于100℃，把放进冰箱，100℃的水却先结冰，为什么？奥斯玻恩博士的回答是：“我不知道，不过我保证在我回到达累斯萨拉姆之后亲自做这个实验。”结果，博士的实验和姆潘巴说的一样。