邮发代码:82-418   刊号:ISSN1671-4350   定价:12.00

[去科技馆学科学]有趣的表面张力

王立文/中国科学技术馆

2020-01/总第286期

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教育部在2017年颁布的《义务教育小学科学课程标准》中要求学生知道物质领域中常见的力、认识力的作用。物体的表面张力不是显而易见的宏观物体之间的作用力,而是组成物体的物质内部分子之间力的作用。世界上的物质都是由各种微观粒子构成的,这些微观粒子之间也存在着相互作用。微观粒子作用力无处不在,但摸不着,看不到,理解起来也非常抽象,只能通过它们所形成的宏观现象间接认识。液体的表面张力就是在日常生活中比较容易观察到的科学现象,雨后水滴在枝头悬而不落、水面稍高出杯口而不外溢、水龙头缓缓垂下的水滴等许多日常现象,都是表面张力作用的结果。在中国科技馆“儿童科学乐园”展厅的“戏水港湾”展区,就有这样2件展品——“变幻的水花”与“水雾蘑菇”,展示了与液体表面张力相关的内容。

自然界中的水等液体会产生使表面尽可能缩小的力,这个力被称为表面张力。表面张力是由液体分子间很大的内聚力引起的。液体与气体相接触时,会形成一个表面层,在这个表面层上,液体处于液相和气相接触界面的分子受到内部液态分子的作用力要比气相分子给的作用力大,所以这些分子都有向液体内部聚拢的趋势,表现出具有液体的内聚性(图1)。内聚性使液体能抵抗拉伸应力,在液体表层好像形成一个弹性紧绷的橡皮膜,有收缩的趋势,从而使液体尽可能地缩小其表面积。在不同形状的几何体中,球形是一定体积下具有最小表面积的几何形体。因此,在表面张力的作用下,液滴总是力图保持球形,这就是我们常见的树叶上的水滴按近球形的原因。表面张力的方向与液面相切,并与液面的任何两部分分界线垂直。

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图1 液体内聚是表面张力的来源

变换的水花

展品“变换的水花”主要由上下喷水管(2条水管上下相对,相距一定距离)、水泵、转动手轮、码盘和电路控制系统等组成(图2)。

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图2 展品“变换的水花”

下方的水管一直由水泵供水、不断向上喷出稳定的水流。观众转动手轮,不断改变手轮的转动速度,下方转轴处的码盘会根据手轮的转动速度控制水泵的排水量,从而控制上方水管的出水流量。在这个过程中,观众可以观察到上下水管喷出的水流冲击时形成的各种不同形状的水花,并且手轮转动速度越大,水花越大,甚至可以形成动态的圆盘状的水花。在与展品互动过程中,观众可以体验到水花的大小与手轮转动速度的对应关系,欣赏到由液体表面张力作用而产生的奇特现象。

经过仔细观察会发现,当上水管没有水流出时,下水管水流喷出一定高度的水流沿着水管管壁向下流淌。当上水管有水流出时,上、下两股水流在空中相遇,形成水流对冲,水流在冲击力的作用下,对抗液体表面张力,水流的外形由收缩状的圆柱形被打散,外表面积增大,从而在上、下水管之间形成动态的水花。当增大上水流流速时,水花的外形也会增大。

水雾蘑菇

展品“水雾蘑菇”由水蘑菇装置、水雾发生器、水泵、压力泵、导水管和三级不平衡桶等组成,水蘑菇装置通过水泵不停地供水,水流从水平平行放置的2个圆盘之间的缝隙中喷出,由于缝隙很小,在圆盘周围就会形成圆形水膜,水膜在重力作用下逐步向下落下,就形成了近似蘑菇的外形。同时内部水雾发生器也在不停工作,使水蘑菇装置内部充满白色水雾,形成一个奇特的“水雾蘑菇”(图3)。

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图3 展品“水雾蘑菇”

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图4 太空授课视频截图

观众通过提水互动可以将水雾蘑菇里面的水雾排出来。首先驱动压力泵,将水注入三级不平衡桶中,随着第一级不平衡桶中的水量逐渐增加,桶的重心逐步提高,当水量积蓄到一定量使重心超过桶的支撑点位置时,稍有干扰桶就会顷刻翻转,从而将桶内的积水瞬间倾泻到下一级不平衡桶中,最后有更多的积水瞬间倒在水雾蘑菇上,打破了稳定的水膜,水雾也将从“蘑菇”中溢出来。通过这件展品,观众既可以观察水桶的平衡和重心概念,又能认识表面张力形成的水膜现象。

很多小朋友喜欢玩吹泡泡玩具,稍用力吹时会生成很多近似球形的肥皂膜,但稍后又会发现肥皂膜只能维持短暂的时间,这是为什么呢?其主要原因是我们生活在地球上,身边的所有物体都会受到重力的作用,肥皂膜也不例外。在重力作用下,肥皂膜会向下方堆积,上方会逐渐变薄,最后就破裂了,所以它只能维持很短的时间。如果离开地球到太空去,情况就不一样了。2013年6月20日,天宫一号上的女航天员王亚平对全国中小学生进行人类历史上第2次太空授课,全国8万余所中学的6 000万师生通过电视直播进行了同步收看。太空授课开展了几个系列的基础物理实验,其中就有展示失重条件下表面张力的物理实验。实验过程是这样的:航天员手握金属环在小水袋中蘸了一下,取出来时在金属环上就形成了1个水膜,然后在水膜上轻轻贴上1张印有中国结图案的小图片,水膜竟然没有破裂。随后航天员又慢慢地向水膜上浇水,水分布在水膜上,逐渐形成了1个水球!这次实验给全国各地的学生留下了很深刻的印象。

液体的表面张力是可以改变的,如果液体中含有杂质,就会改变液体的表面张力。洁净的水有很大的表面张力,而含有肥皂液的水的表面张力就比较小。也就是说,洁净水的表面具有更大的收缩趋势。在日常生活中,我们经常利用表面活性剂降低物质表面的张力,例如在洗面奶、洗涤剂、沐浴露等洗涤用品中添加适量表面活性剂,可以使其具有丰富的发泡性、良好的乳化性、适度的洗涤去污力,以及特有的皮肤亲和性,以满足不同的需求。

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