关于液体表面张力的错误认识

wyj7506 · 发表于 2008-5-27 13:57:19

关于液体表面张力的错误认识

高中物理教材第一册"固体和液体的性质"一章中有～个小实验：要求学生用棉纸把缝衣针漂浮在水面上，并说明缝衣针被水的表面拓住的原因．许多学生甚至有的教师都认为缝衣针是受重力和液体表面张力作用而平衡，使缝衣针被水的表面托住，并画出了如图1所示的受力图；也有些教学资料上说缝衣针是受到了重力、浮力和液体表面张力的作用而平衡，其受力如图2所示．其实，这两种说法都是不妥的，缝衣外并没有受到液体表面张力的作用，也没有受到浮力作用．　　我们知道由于液体表面层（即液体跟空气接触处的薄层）里分子的分布密度比液体内部的小，分子间的距离比液体内部大，因此分子间的相互作用表现为引力，使液面各部分之间相互吸引，这种引力叫液体表面张力．由此可知，液体表面张力是一部分液体表面与另一部分液体表面之间的相互作用，是作用在液体表面的，它的施力物体和受力物体都是液面，所以缝衣针不可能受到表面张力的作用．由于表面张力能使液体表面的分子都相互牵引着，不容易随便脱离，并形成一层薄膜，就好像～张拉紧的橡皮膜一样．这一现象我们可以通过实验来证实，向一玻璃杯中轻轻地注入清水（玻璃杯口要保持干燥），当水面与杯口相平后，轻轻地将硬币逐个投入玻璃杯中，这时水面会不断涨高，直至高出玻璃杯边缘，并且呈鼓起的状态而水不会溢出，就好像水面包着一张橡皮膜一样，这是由于水的表面张力作用使水面形成了一层薄膜，这层薄膜阻止了水的外溢．继续加人硬币，水面不断鼓起，当硬币加到一定的数最后，水的表面薄膜鼓到无法支撑时，水才会溢出杯口，就好像气球被不断地充气到达一定程度时会爆炸一样．当用棉纸托着缝衣针一同放在水面上后，纸渐渐地被水浸透，沉了下去，缝衣外却仍然漂在水面上，这时候仔细观察缝衣针，会发现缝衣针周围的水面已经向下凹陷（如果用一枚壹角的硬币来代替缝衣针，下凹的弯月面会更加明显），这是由于水表面的薄膜在缝衣针对它的压力的作用下被拉伸下陷形成的，根据物体间力的作用是相互的原则，下凹的弯月面也要给缝衣外一个向上的支持力，即缝衣针要受到一个下凹弯月面对它的支持力的作用．又由于缝衣针只是使水面的薄膜向下凹陷，并没有将水表面的薄膜撕开，即缝衣针的下底面仍然位于水表面的薄膜上，并没有浸入水中，所以缝衣针也就没有受到浮力的作用，其实缝衣针漂在水面上的现象就好比把缝衣针放在一张绷紧的橡皮膜上，我们知道放在橡皮膜上的缝衣针要受到重力和橡皮膜对它的支持力的作用，这二力平衡使缝衣针被橡皮膜托住，由此可见漂在水面上的缝衣针也是由于受到重力和液面薄膜对它的支持力作用而平衡．其受力图如图3所示．表面张力的作用只不过使液体表面形成了一层薄膜，并没有直接作用在缝衣针上，真正作用在缝衣针上的是液面薄膜的支持力．有些小昆虫可以在水面上跑来跑去或者停留在水面上，不致于陷入水里，也是同样的道理．例如水邑的腿上长满又细又长的绒毛，绒毛轻轻撑住水面，不会撕破水面的薄膜，所以它能在水面上悠闲自在的散步．　　通过上面的分析，我们已经知道了液体表面张力和液膜支持力是两个完全不同的概念，但它们又是互相联系的，没有液体表面张力就不会有液面薄膜的产生，也就不会有液膜支持力．如果在上面缝衣针的实验中，小心地往水中加入一滴洗洁精，液面薄膜会迅速破裂消失，缝衣针将沉入水底．这是因为洗洁精是中性的表面活性剂，它的加入破坏了水面的薄膜的形成，导致缝衣针沉入水底．