“ 表面张力”创新实验五例

周汉东

    内容摘要：本文介绍了五例关于表面张力的创新实验，分别为“创新浮币实验”、“支架为什么不能上浮”、“用高灵敏的纸质弹簧秤显示破液前张力”、“又大又持久的液膜张力演示”、“和表面张力来拔河”。由于创新采用了浸漆铜圈和浸漆铜支架、特制泡泡溶液、自制纸质弹簧，使得以上实验现象非常新奇明显，能很好地演示说明表面张力的特点与规律。与本文对应的自制教具获得了2012年苏州市教具评比一等奖。

关键词：表面张力  浮币  泡泡液  浸漆铜圈  浸漆铜支架  纸质弹簧  

创新演示一：用浸漆铜圈做浮币实验

小时候常玩的“硬币能浮在水面上”是一个非常新奇有趣的小实验，但现在市场上流通的新版硬币材质不同于早起的铝质硬币，其密度太大了，再做浮币实验难度非常大。为让每个学生都能轻易体验观察到表面张力，笔者改用浸漆铜圈来代替硬币，实验效果更非常好。

如图1所示，用直径2.0mm铜丝漆包线弯曲成直径为2-5cm的铜圈，接口处刮去漆皮用电烙铁配合焊锡丝平滑焊接好。为进一步增强铜圈对水的不浸润性，可把焊接好的铜圈在清漆中浸润下取出，然后晒干24小时。这样处理过的铜圈对水不浸润性非常强，水平轻托后可以轻易把铜圈浮在水面上，且由于铜圈内部是空的，可明显观察到铜圈中间的水面向上鼓起。这个实验可以让学生课后都体验一下，学生能清晰观察到铜圈把液膜下压变形，液膜要收缩产生弹性，从而把铜圈托住了。

            图1

再用小木棍轻轻击打铜圈，可发现液面被打破后铜圈马上下沉到杯底。拿出铜圈后轻轻一甩，由于浸漆铜圈和水不浸润，马上就把水甩干了，又能重复以上实验。笔者制作了以上十多个铜圈，和十几个盛水烧杯一起放在教室后面空余课桌上让学生课后体验，学生一个个玩得不亦乐乎。

创新演示二：悬浮支架为什么不能冒出水面？

上例演示的是液膜被下压而产生张力，本例可以演示液膜被上浮物体顶起而产生张力，以至于物体被压住而不能浮出水面。

        图2                                           图3

如图2所示，仍用上述规格铜丝焊接一个直径8cm的铜圈，两侧焊接两根铜丝连接到5ml的一次性注射器上。注射器底端固定一个小铁块，注射器内加水进行配重，直到密封后整个装置能竖直浮在水面上并部分冒出水面。

用手下压支架使得整个装置全部低于液面，然后松手，可见装置会上浮，但铜圈支架上浮到液面处就再也不能继续升高了！如图3所示。这个现象和很多学生猜测的“应该会上升到初始位置”完全不同，反差太大了，能引起学生强烈兴趣并产生探究欲望。通过探究学习，学生能深刻理解到原来是液面张力产生了把支架给压住的效果。同样用小木棒轻敲支架，瞬间打破液面，支架就能再次上升并回到初始位置。

创新演示三：用自制纸质弹簧来显示破液前的张力

破液时张力太小，普通测力计难于显示怎么办？用白纸做个纸弹簧，显示效果很明显。

笔者用常见A4白纸裁成1cm宽纸条，然后依次折叠，一个外观很大但劲度系数极小的纸弹簧马上就做好了。再焊接一个边长为10cm左右的圆形铜丝支架，如图4所示。

  图4

用纸质弹簧把沉入水中的铜支架上拉，拉到液面位置时支架被液面挡住，此时纸弹簧开始变长，进一步上拉纸弹簧长度会越来越大，直到瞬间液面被拉破后支架跃出水面，纸弹簧长度才瞬间变短。本演示可把破液前的液面张力显示得非常明显。如果事先用纸弹簧悬挂不同已知质量的小砝码片（200毫克以下），记录下不同长度时对应的拉力进行粗略标度，则本装置还能粗略测定破液前的张力大小。

创新演示四：用特质泡泡液与特质铜丝圈让液膜更大更持久

   普通的铁丝圈拉出水面形成的液膜不仅体积小，且很快就会挥发破裂，难于让学生更深刻观察与体验。笔者受到玩具泡泡枪和超大型肥皂泡表演的启发，经过网络查询，经过多次实验，终于发现了比较适合表面张力演示的特制溶液配置方法。该特制溶液的具体配置比例为是3份洗洁精+1份甘油+6份清水。洗洁精的作用是让水更有粘滞性不容易破裂，甘油可以让水的挥发明显变慢使得液膜能维持较长时间。

配套的铜丝圈也是特制的。还是采用直径为2.0mm的铜丝，弯折成一个直径达30cm的铜圈，并用常见白纱线紧密地缠绕在铜丝上，白纱线可以吸附足够的特制溶液并及时补充到液膜上，如图5所示。用这样的铜丝圈配合特制溶液，形成的直径达30cm的液体膜，可以维持一分钟以上的时间，足够实验操作并观察了。

                              图5

怎样才能捅破内侧液膜而不至于破坏另两侧液膜呢？用手捅时液膜中细线会吸附在手指上且手指太大难于操作。一些资料上采用烧红的针尖来捅破液膜效果虽好，但操作繁琐。笔者实验发现最好最方便的方法是采用课堂最常见的粉笔，粉笔的吸水能力太强了，轻轻一触液膜就会让液膜破裂，且对细线另两侧的液膜几乎无影响。

实验操作如图6所示。铜圈浸入泡泡液拿出就形成超大液膜，此时两根细线在液膜内呈松弛状态。用粉笔尖轻触两线中间液膜，液膜立马被吸干破裂，两侧液膜收缩，两线呈绷紧状态，且此状态能维持一分钟以上。本演示能形象说明液体表面由于张力而有收缩趋势。

                                 图6

创新演示五：和表面张力来场趣味拔河比赛

    除了让学生清晰观察表面张力，我们还有必要让学生来趣味体验一下表面张力，这样学生印象就更加深刻了。笔者设计的“和表面张力来拔河”演示能很好地达到以上目的。

   如图7所示，仍用以上规格铜丝弯折成一个长20cm宽10cm左右的矩形框架，再用铜丝制作一个可以滑动的滑动杆套在支架上，滑动杆中间系上一段细线。拔河比赛装置做好了。

                                   图7

拉住细线，让滑动杆处于矩形框中间附近位置，然后整体放入上例所配置的特制泡泡溶液，放入再拿出可见到矩形液膜。比赛开始，当松开拉住滑动杆的细线，滑动杆马上被液膜拉到最右边！稍用力拉细线，可把滑动杆又拉到左边再次形成矩形液膜。由于采用特别配置的溶液，以上拉锯战可重复好多次后液膜才会挥发破裂。这个小实验不仅趣味好玩，还能把液膜由于张力而要收缩的性质演示得极其清晰。

（本文发表于《物理教师》2013年第8期）