大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽-水中的蠟燭

祝第九屆中國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽圓滿成功第1頁(yè)9水中蠟燭正方匯報(bào)人：高振宇第2頁(yè)目錄CONTENTPART

ONEPART

TWOPART

THREEPART

FOURPART

FIVE題目分析理論分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)總結(jié)參考文件P.19水中蠟燭第3頁(yè)P(yáng).2Part1.題目闡述9水中蠟燭CandleinWater

Addsomeweighttoacandlesuchthatitbarelyfloatsinwater.Asthecandleburns,itmaycontinuetofloat.Investigateandexplainthisphenomenon.關(guān)鍵詞：蠟燭幾乎無(wú)法漂浮加些重量燃燒繼續(xù)漂浮調(diào)查并解釋這種現(xiàn)象

給蠟燭加些重量，這么蠟燭就幾乎無(wú)法浮在水里了。當(dāng)蠟燭燃燒時(shí)，它可能繼續(xù)漂浮。調(diào)查并解釋這種現(xiàn)象。第4頁(yè)P(yáng)art2.理論分析P.49水中蠟燭對(duì)影響水中蠟燭漂浮相關(guān)參數(shù)初步預(yù)計(jì)使用控制變量法進(jìn)行試驗(yàn)9水中蠟燭1.重物質(zhì)量2.蠟燭直徑3.火焰產(chǎn)生空氣浮力4.表面張力P.3第5頁(yè)

Part2.理論分析9水中蠟燭P.4第6頁(yè)

Part2.理論分析9水中蠟燭P.5第7頁(yè)

Part2.理論分析9水中蠟燭由參考文件[3]得在火焰影響范圍小于半徑情況下，適看成出假設(shè)P.6第8頁(yè)21mm蠟燭半徑凹槽半徑隨時(shí)間改變21mm蠟燭損失質(zhì)量隨時(shí)間改變Part2.理論分析9水中蠟燭由文件[3]知

m為損失質(zhì)量，R為凹槽半徑

P.7第9頁(yè)

Part2.理論分析9水中蠟燭蠟燭豎直方向能流分布圖P.8第10頁(yè)P(yáng).99水中蠟燭

設(shè)蠟燭近似為圓柱體，則得到表面張力最大值為設(shè)質(zhì)量為M蠟熔化、冷卻后形成了高度為h蠟面，則該蠟面表面張力為Part2.理論分析蠟燭對(duì)水來(lái)說(shuō)為非浸潤(rùn)，與水面彎曲角相關(guān)，所以以最大值來(lái)代替實(shí)際值第11頁(yè)模型建立基于假設(shè)，我們建立一下模型液面

Part2.理論分析9水中蠟燭此時(shí)在點(diǎn)燃以前并不考慮凹槽存在P.10表面張力為了方便描述，將其作用效果從浮力中脫離開(kāi)第12頁(yè)

Part2.理論分析9水中蠟燭P.11第13頁(yè)

蠟燭燃燒過(guò)程水面上下長(zhǎng)度改變模擬近似以下Part2.理論分析9水中蠟燭P.12第14頁(yè)最終因?yàn)闊醾鲗?dǎo)以及水面以上凝固壁無(wú)法得到冷卻而融化問(wèn)題凹槽大小幾乎不再改變，蠟燭最終將會(huì)因?yàn)樗M(jìn)入淹沒(méi)燈芯或因重物等效質(zhì)量過(guò)大使蠟燭根部長(zhǎng)時(shí)間在液面以下因氧氣與二氧化碳比值改變而造成蠟燭熄滅可用理論模型估算熄滅時(shí)剩下蠟燭長(zhǎng)度Part2.理論分析9水中蠟燭P.13第15頁(yè)蠟燭漂浮過(guò)程控制變量法不一樣規(guī)格蠟燭，電路排針，鋼釘，按釘，磁鐵，水杯，游標(biāo)卡尺Part3.試驗(yàn)設(shè)計(jì)9水中蠟燭P.14第16頁(yè)P(yáng)art3.試驗(yàn)設(shè)計(jì)9水中蠟燭直徑3cm蠟燭下面掛重物幾乎不能漂浮時(shí)在水中點(diǎn)燃P.15第17頁(yè)P(yáng)art4.試驗(yàn)設(shè)計(jì)9水中蠟燭蠟燭直徑：5cm高度：5cm能夠觀察到蠟燭凹槽形狀近似與理論模型相適應(yīng)蠟燭最終燒穿底部P.16第18頁(yè)P(yáng)art3.試驗(yàn)設(shè)計(jì)9水中蠟燭蠟燭表面張力最大值試驗(yàn)確定減去按釘浮力得到最大表面張力P.17第19頁(yè)P(yáng)art3.試驗(yàn)設(shè)計(jì)9水中蠟燭L/mm86.3084.8780.0079.1372.2364.2163.4062.0356.6V0/cm30.250.330.50.660.900.900.951.001.00選取直徑1.8cm蠟燭隨機(jī)選取時(shí)間點(diǎn)測(cè)量剩下長(zhǎng)度與凹槽體積大小試驗(yàn)方法：先用游標(biāo)卡尺測(cè)量蠟燭長(zhǎng)度，經(jīng)過(guò)逐步添加配重使蠟燭能在水中懸浮，再讓蠟燭漂浮于水面上，點(diǎn)燃蠟燭，一段時(shí)間后將蠟燭吹滅，等候蠟燭冷卻后，將蠟燭取出，經(jīng)過(guò)針管將水注入到凹槽內(nèi)直至剛好填滿凹槽，針管注入水體積即為凹槽體積，再用游標(biāo)卡尺測(cè)出此時(shí)蠟燭長(zhǎng)度，然后重新將蠟燭放入水中，重復(fù)試驗(yàn)并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)84.0試驗(yàn)現(xiàn)象：在點(diǎn)燃蠟燭后凹槽開(kāi)始形成過(guò)程中，凹槽外緣為一圓環(huán)，蠟燭有輕微上浮連續(xù)燃燒一段時(shí)間后，蠟燭長(zhǎng)度縮短至頂部重新接觸水平面繼續(xù)燃燒，蠟燭任維持漂浮燃燒到最終燭焰變小，逐步熄滅，蠟燭未淹沒(méi)P.18直徑18mm蠟燭剛能維持懸浮時(shí)與配重總質(zhì)量M=19.81g,總體積V總=19.9cm3，g取9.8N/kg第20頁(yè)由仿真結(jié)果看出，在燃燒過(guò)程中伴隨蠟燭長(zhǎng)L減小，凹槽體積V0增大趨勢(shì)放緩，V0與L關(guān)系圖像展現(xiàn)非線性關(guān)系。后期不再改變與理論相符Part3.試驗(yàn)設(shè)計(jì)9水中蠟燭P.19第21頁(yè)P(yáng)art3.試驗(yàn)設(shè)計(jì)9水中蠟燭蠟燭臨近熄滅和熄滅后殘骸P.20第22頁(yè)P(yáng)art3.試驗(yàn)設(shè)計(jì)9水中蠟燭P.21直徑三厘米蠟燭燃燒第23頁(yè)將蠟燭固定盆底，加水至與蠟燭上端靠近，造成勉強(qiáng)漂出現(xiàn)象，點(diǎn)燃蠟燭蠟燭不會(huì)在燃燒時(shí)沉入水底，表面張力和空氣對(duì)流，蠟燭底部是否燒穿將成為蠟燭與重物是否沉入水底決定原因Part3.試驗(yàn)設(shè)計(jì)9水中蠟燭P.23第24頁(yè)試驗(yàn)編號(hào)蠟燭長(zhǎng)度/cm蠟燭直徑/cm重物等效質(zhì)量/g水面高度/cm熄滅時(shí)蠟燭總長(zhǎng)度/cm熄滅后現(xiàn)象1121.55.1100.6底部燒穿沉底2121.53.9100.7底部燒穿沉底341.5固定杯底32.9熄滅水未進(jìn)入441cm5.1152.1熄滅后懸浮551cm3.2151.2底部燒穿，漂浮655cm3.2152.0底部燒穿755cm5.1152.0底部燒穿Part3.試驗(yàn)設(shè)計(jì)9水中蠟燭P.22一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)第25頁(yè)蠟燭出現(xiàn)五次由明亮火焰變?yōu)槲⑿』鹧媲闆r，變暗間隔前四次片刻后又恢復(fù)明亮，火焰大小觀察無(wú)肉眼差距，最終一次變微小后經(jīng)過(guò)約8秒后熄滅，而此時(shí)水依然沒(méi)有進(jìn)入蠟燭凹槽，蠟燭上部在水平面下，水面接觸線有顯著彎曲，凹槽周圍有一層蠟油形成薄膜。昏暗連續(xù)時(shí)間/s昏暗與明亮間隔/s蠟燭是否熄滅1495否1492否1580否1554否8是Part3.試驗(yàn)設(shè)計(jì)9水中蠟燭P.24第26頁(yè)

我們發(fā)覺(jué)，在不一樣試驗(yàn)中，凹槽最頂端展現(xiàn)出兩種狀態(tài)：一個(gè)呈開(kāi)口狀即最外沿向外塌陷；另一個(gè)是呈較為光滑曲頂。

回想試驗(yàn)過(guò)程，我們認(rèn)為第一個(gè)狀態(tài)是由于初始狀態(tài)時(shí)棉線長(zhǎng)度過(guò)短，火苗比較小，留給形成凹槽時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)以后火苗長(zhǎng)度變長(zhǎng)，凹槽最上端受到火苗外焰加熱而稍微熔化變軟，向外塌陷部分因?yàn)榫嚯x火苗變遠(yuǎn)而凝固。

而第二種狀態(tài)是因?yàn)槌跏妓裘蘧€較多，點(diǎn)燃時(shí)火苗已經(jīng)比較大，所以凹槽不太深時(shí)最頂端就被熔化變軟，來(lái)不及向外塌陷凝固。9水中蠟燭Part3.試驗(yàn)設(shè)計(jì)9水中蠟燭P.25補(bǔ)充說(shuō)明第27頁(yè)P(yáng)art4.總結(jié)9水中蠟燭P.26

整理實(shí)踐了進(jìn)行水中蠟燭試驗(yàn)及測(cè)量試驗(yàn)裝置和過(guò)程（其它漂浮，懸浮問(wèn)題也可借鑒）經(jīng)過(guò)理論分析，得到蠟燭漂浮滿足公式，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定了各個(gè)變量影響參數(shù)以及相關(guān)關(guān)系。設(shè)計(jì)了合理試驗(yàn)方案，定性研究了蠟燭直徑，重物質(zhì)量，與蠟燭水中漂浮關(guān)系。定性判斷出蠟燭及重物最終沉入水底影響原因及影響正負(fù)相關(guān)關(guān)系第28頁(yè)P(yáng)art4.總結(jié)P.51.蠟燭漂浮原因是浮力，表面張力共同作用效果2.重物質(zhì)量越大，蠟燭熄滅時(shí)長(zhǎng)度越大，正相關(guān)3.蠟燭半徑r越大，蠟燭熄滅時(shí)長(zhǎng)度越短，負(fù)相關(guān)4.蠟燭傾斜角度越大，蠟油溢出越多，蠟燭熄滅時(shí)長(zhǎng)度越短，負(fù)相關(guān)5.重物等效重力越小，蠟燭剩下長(zhǎng)度越小，負(fù)相關(guān)6.經(jīng)過(guò)蠟燭試驗(yàn)發(fā)覺(jué)蠟燭漂浮滿足受力分析，利用理論分析公式可粗略預(yù)計(jì)出蠟燭剩下長(zhǎng)度依據(jù)一系列初步試驗(yàn)，我們能夠得到以下初步結(jié)論9水中蠟燭P.27第29頁(yè)誤差產(chǎn)生原因1.蠟燭并非豎與水接觸邊緣形成一片薄膜2.排針質(zhì)量，體積過(guò)小，使得質(zhì)量與浮力測(cè)量測(cè)量出現(xiàn)誤差3.排針質(zhì)量過(guò)小，會(huì)使得蠟燭基本只剩下一個(gè)凹槽和蠟壁，測(cè)量誤差4.燃燒時(shí)有效去除外溢蠟油后觀察：因?yàn)橄灡谒軠囟炔灰粯樱瑫?huì)有外塌和直筒兩種現(xiàn)象，造成表面張力有微小差異4.若重物過(guò)輕蠟燭若為偏斜，會(huì)有蠟油溢出造成在蠟燭周圍形成一圈蠟壁，影響其表面張力，影響漂浮狀態(tài)Part4.總結(jié)9水中蠟燭P.28第30頁(yè)[1]吳齊，浮體穩(wěn)定平衡條件（J），濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)，（1994）