🧪 实验核心问题

在一个杯子中放一个冰块，然后倒满水。当冰融化后，杯内的水会溢出来吗？

答案：不会溢出。

📦 实验材料

  • 1块冰块

  • 2个透明杯子（便于观察水位）

  • 水

  • 托盘（用于接住可能溢出的水，但最终你会发现它其实没用到）

📝 操作步骤（清晰版）

  1. 准备： 将一个空杯子放在托盘上（托盘是安全措施，防止万一操作失误水溢出）。

  2. 加入冰： 将一块冰块放入这个杯子中。

  3. 加满水： 小心地向杯中倒入清水，直到水面正好与杯口齐平（看起来马上就要溢出的状态）。这时，你会观察到：

    • 冰块大部分沉入水中。

    • 冰块的一小部分（大约10%）露出水面（因为它浮在水上）。

  4. 等待与观察： 静置杯子，耐心等待冰块完全融化。

  5. 关键观察： 观察融化过程中以及完全融化后：

    • 融化过程中，水位可能轻微波动，但不会持续溢出。

    • 冰块完全融化后，杯中的水位会略微下降一点，绝对不会达到杯口溢出的状态。托盘通常是干的（如果加水时没洒出来的话）。

🔍 讲解与科学原理（深入解析）

你提供的讲解非常准确，以下是更详细的解释：

  1. 冰会浮在水面上：

    • 水有一个非常独特的性质：在4°C时密度最大。当温度降到0°C以下结冰时，水分子会形成一种特殊的晶体结构（六方晶系），这种结构导致分子间的空隙变大。

    • 因此，冰的密度（约0.917 g/cm³）比液态水的密度（4°C时约1 g/cm³）小。这就是冰能浮在水面上的原因。

  2. 浮力原理与排开的水量（阿基米德原理）：

    • 冰块漂浮在水面上时，它受到的浮力等于它自身的重力。

    • 根据阿基米德原理，浮力又等于冰块排开的那部分水的重力。

    • 结论：冰块排开的水的重量 = 冰块自身的重量。

    • 因为密度不同（冰 < 水），冰块排开的水的体积（V排） < 冰块本身的体积（V冰）。这就是为什么冰块会有一部分露出水面（V露 = V冰 – V排）。

  3. 冰融化后体积的变化：

    • 当冰融化成水时，质量保持不变（m水 = m冰）。

    • 但是，冰融化后，水分子从疏松的晶体结构变成液态时更紧密的排列，体积会缩小。

    • 冰融化后变成的水的体积（V水）等于原来冰块排开的水的体积（V排）！

    • 推导：

      • 冰排开的水的重量 = 冰的重量（根据浮力）。

      • 冰的重量 = 冰融化后水的重量（质量守恒）。

      • 所以，冰排开的水的重量 = 冰融化后水的重量。

      • 因为是同种液体（水），重量相等意味着体积相等（在相同条件下密度相同）。

      • 因此：V水 = V排

  4. 为什么水不会溢出？

    • 实验中，杯子装满水时，水面达到杯口。此时杯内的“水”包括：

      • 液态水（我们倒进去的）。

      • 冰块浸没在水下的部分（这部分体积等于V排）。

    • 当冰融化时：

      • 冰块浸没在水下的部分（体积V排） 融化后，正好变成体积为 V水（= V排） 的水。

      • 冰块露出水面的部分（体积V露） 融化后，变成体积为 V露 * (ρ冰/ρ水) ≈ V露 * 0.9 的水（因为密度比是0.9）。这部分水远小于原来露出的冰块的体积 V露。

    • 最关键的是： 原来露出水面的那部分冰块（V露）融化所产生的水的体积，正好等于冰融化后总体积收缩所“腾出来”的空间（原来冰占据的体积 V冰 大于 融化后水占据的体积 V水）。

    • 最终结果： 冰完全融化后，新生成的水（来自整个冰块）的体积（V水），精确地等于原来冰块在水下部分所占据的体积（V排）。这个体积小于冰块的原始体积（V冰），更小于杯口处“满杯水”所能容纳的极限体积。所以，融化后杯中的总水量（原先的液态水 + 冰融化的水）占据的空间，等于原先（液态水 + 冰块水下部分）占据的空间。水面不会超过原先的杯口高度，反而会因为液态水温度略升高（密度略减小，体积略增大）或表面张力等因素，通常会略微下降一点。

💡 用孩子能理解的话总结关键点

  • 冰比水“胖”： 同样重量的水和冰，冰块占的地方更大（体积大）。

  • 冰浮在水上： 因为冰“胖”（密度小），所以能浮起来，有一小块脑袋（约10%）露在外面。

  • 融化只瘦身不增量： 当冰融化变回水时，它只是从“胖胖的冰”变回了“苗条的水”，它本身并没有变多（质量守恒）。

  • 水下部分是关键： 冰块在水下的那部分身体（90%），它融化后变成的水，正好能填满它自己原来在水下占的那个“坑”。

  • 水上脑袋变没了： 冰露出水面的那小部分脑袋（10%）融化后，变成的水很少很少（只有它原来体积的90%），这点水加到杯子里，杯口完全装得下，甚至还有空余（所以水面会下降一点点）。

  • 所以不会漫出来！ 冰融化的整个过程，就像一个大胖子（冰）站在装满水的浴缸里，它减肥（融化）变成了一个瘦子（水），瘦子占的地方比胖子小多了，浴缸里的水当然不会漫出来啦！

🌈 结论

这个实验完美地验证了：在漂浮状态下，冰块完全融化后，容器中的水位不会上升，因此水不会溢出杯子。 它巧妙地结合了水的密度反常、浮力原理（阿基米德定律）和质量守恒定律，是一个非常经典且能有效打破直觉的物理小实验！让孩子动手做一做，亲眼见证这个神奇的现象吧！

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