实验探究啤酒泡沫的衰减规律

1 引言

2019年10月2日，在学校安全值班。校园非常寂静，是做科学探究的好时机。想到前几天与同事喝啤酒时突发的灵感，微主就带着一罐啤酒，来到了学校。

交接完值班手续，做好相应值班操作之后，微主来到创客空间，开始了“探究啤酒泡沫的消退规律”的实验探究。

2 合理假设

其实，这个科学探究非常简单，就是将啤酒倒入量筒中，用手机拍摄啤酒泡沫消退的过程，测量啤酒泡沫体积与时间的对应关系，绘制啤酒泡沫的体积时间关系图像，并运用数学方法进行分析。

考虑到啤酒泡沫的体积可以从量筒上的泡沫的上下两个截面的刻度差读出，但是啤酒泡沫与液体的截面十分规则，而与啤酒泡沫与空气的截面十分不规则，这种现象会给泡沫体积的测量带来非常大的误差。

为此，此次探究运用了一种替代思路，从而使啤酒泡沫的体积得到精确的测定。

1 假定啤酒泡沫的大小都是相等的；

2 假设啤酒泡沫消退的体积与液化为酒液的体积成正比。

由上述两条假设可知，啤酒泡沫的体积变化可以转化为酒液的体积变化，从而实现比较精确的测定。

3 实验测量

将手机调整到录像状态，开始录像后，将啤酒迅速导入量筒中，用手机录制啤酒液面上升的过程。

4 数据处理

将实验视频导入电脑，播放录像，酒液每增加0.5ml记录一次时间，直到视频播放完毕。

将测量得到的“酒液体积与时间”的数据录入电子表格，并转化为“啤酒泡沫液化体积与时间”的数据关系。

随后，在电子表格中以“啤酒泡沫液化体积与时间”的数据关系绘制散点图，得到“啤酒泡沫液化体积与时间”的关系如下图所示。

显然，啤酒泡沫体积随着时间的延长而逐渐减小，类似放射性元素的衰变过程。

V=12ml，t=08s；

V=06ml，t=51s，Δt=43s；

V=03ml，t=94s，Δt=43s。

由上述几个特殊值检验可以发现，啤酒泡沫在消退过程中，存在一个明显的半衰期，其半衰期约等于43秒。

经过证明，拟合方程最终可以转化为如下式所示的方程式

式中V0=13.32ml，T=44.07s。

5 探究结论

啤酒泡沫的破裂是随机发生的，与放射性原子核的衰变比较类似，也具有半衰期。

6 教学辅助

半衰期是高中物理选修3-5中一个很重要的概念，如果届时指导学生研究“啤酒泡沫体积消退规律”，对学生理解半衰期概念是十分有益的。

7 感悟

在探究啤酒泡沫消退规律的过程中，为了获得与指数规律有更好吻合度的数据，微主使用了不同规格的量筒和啤酒注入量，经过多次重复实验，最终得到了十分理想的衰变曲线和拟合方程。

在上午场的实验探究中，使用的是100ml的量筒，实验数据明显偏离指数关系，但是可以用两个不同半衰期的指数函数的和去拟合。

在下午场的实验探究中，使用的是25ml的量筒，量筒比较细，精度更高，得到的曲线就与指数函数吻合的很好了。

至于上午场的实验结果明显偏离指数关系的原因，目前还没有找到。

没有经历实验失败带来的沮丧，就感受不到实验成功带来的狂喜。

| 创客焦作 | 

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