是分子間的分子引力嗎？

林海兵

一、問(wèn)題

2008年高考物理卷（廣東卷）中非選擇部分第13題的第（1）小題是這樣的：如圖1所示，把一塊潔凈的玻璃板吊在橡皮筋的下端，使玻璃板水平地接觸水面，如果你想使玻璃離開(kāi)水面，必須用比玻璃板重力 的拉力向上拉橡皮筋。原因是水分子和玻璃的分子間存在 作用。

二、標(biāo)準(zhǔn)答案與專(zhuān)家的解釋

2008年7月2日，在惠州市實(shí)驗(yàn)中學(xué)，我參加了由華南師范大學(xué)黃照欣教授主講的08高考物理分析會(huì)。黃教授對(duì)高考物理卷中的每一道題都作了非常詳盡的分析。黃教授認(rèn)為，該題主要考查選修3-3（包括2-2）的分子運(yùn)動(dòng)論中的“分子作用力”考點(diǎn)，其標(biāo)準(zhǔn)答案是：第一個(gè)空填“大”，第二個(gè)空則填“分子引力”。黃教授著重分析了該題第二個(gè)空考生的答題情況。他說(shuō)：“許多考生填了‘引力或‘吸引”，這是不正確的?！八麖?qiáng)調(diào)說(shuō)：“‘引力是什么‘引力，是‘電磁引力還是‘萬(wàn)有引力抑或是‘分子引力，這分明缺少一個(gè)定語(yǔ)的限制，所以這樣的答案是不正確的，至少是不全面的?！?/p>

三、分子引力與物體間的浸潤(rùn)

然而，直到現(xiàn)在，我對(duì)該題的答案依然心存質(zhì)疑。我認(rèn)為該題第二個(gè)空的“標(biāo)準(zhǔn)答案”是有問(wèn)題的，無(wú)論該空填“分子引力”還是僅僅只填了“引力”，都是錯(cuò)誤的。這就是說(shuō)，當(dāng)人們向上拉橡皮筋使玻璃板離開(kāi)水面時(shí)，水分子與玻璃分子間的分子引力并不是需要拉力大力于玻璃板重力主要因素。那么，使拉力大于玻璃板重力的主要因素是什么呢？要分析清楚這個(gè)問(wèn)題，首先我們必須認(rèn)真地分析題意。

我們應(yīng)注意到題中的一個(gè)詞語(yǔ)——潔凈的玻璃板，這一個(gè)具有舉足輕重意義的詞語(yǔ)分明是說(shuō)，如果玻璃板不潔凈，上述現(xiàn)象則可能不會(huì)發(fā)生，難道不潔凈的玻璃板的玻璃分子與水分子的分子引力會(huì)減小甚至消失？我想這應(yīng)該是不會(huì)發(fā)生的。即使因?yàn)槟承┪镔|(zhì)（我們姑且把這些物質(zhì)稱(chēng)為雜質(zhì)）粘在玻璃板上，使玻璃分子與水分子接觸的分子數(shù)量減少，從而減少了它們之間的分子引力，但是我們也發(fā)現(xiàn)，玻璃分子其實(shí)正通過(guò)粘附在其表面上的分子與水分子產(chǎn)生作用。也就是說(shuō)，雜質(zhì)分子與水分子間也存在分子引力，故水分子與玻璃分子完全可以通過(guò)雜質(zhì)分子產(chǎn)生間接的引力作用。如果我們從這些物質(zhì)分子與玻璃板的吸附與浸潤(rùn)情況來(lái)看，雜質(zhì)分子與水分子之間的分子引力一定大于玻璃分子與水分子之間的分子引力，即玻璃分子與水分子之間有這些雜質(zhì)分子時(shí)，它們產(chǎn)生的間接引力會(huì)更大，向上拉的拉力也應(yīng)該更大才對(duì)。然而，實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上述分析是正好相反的，當(dāng)玻璃不潔凈時(shí)，拉橡皮筋的拉力是比較小的。

綜上所述，拉橡皮筋的拉力大于玻璃板的重力不是因?yàn)樗肿优c玻璃分子的分子引力造成的。

那么，分子間的分子引力在這里的作用是什么呢？我認(rèn)為，分子間的引力僅僅造成了玻璃板與水之間相互浸潤(rùn)的關(guān)系，而浸潤(rùn)則主要表現(xiàn)在玻璃板與水的接觸邊緣上。我們知道，如果用玻璃器皿來(lái)盛水，則水平面是向下凹陷的，這就是玻璃與水相互浸潤(rùn)即玻璃分子與水分子的之間存在較大的分子引力造成的；如果用荷葉做成的器皿來(lái)盛水，則水平面是向上突起的，這也是因?yàn)楹扇~分子與水分子不浸潤(rùn)即它們之間的分子引力很小甚至沒(méi)有而造成的。

四、光潔的接觸面與大氣壓強(qiáng)差的形成

通過(guò)上面的論述，我們知道，一塊表面光潔的玻璃板放在水面上時(shí)，水與玻璃板的情形應(yīng)該如圖2所示，此時(shí)，玻璃板的下表面與距離玻璃板較遠(yuǎn)處的水平面在同一高度上，而與玻璃板四周接觸的水面則形成突起的、明顯高于遠(yuǎn)處的水平面。由此可知，如果我們?cè)谪Q直方向上稍微把玻璃板向上提起，玻璃板的下表面就一定比較遠(yuǎn)處的水平面要高，而此時(shí)，因?yàn)樗肿优c玻璃分子相互浸潤(rùn)的作用，玻璃板四周依然與突起的水面的相接觸。

于是，我們不難發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的玻璃板與其下方的水及周?chē)蚪?rùn)而突起的水其實(shí)已經(jīng)形成了一個(gè)密閉的容器，其中，玻璃及其下方向的水分別相當(dāng)于容器的活塞與容器底，而四周包圍著玻璃的水則相當(dāng)于容器壁。當(dāng)玻璃板下表面與遠(yuǎn)處水平面在同一高度面上時(shí)，密閉容器的容積為零；而玻璃板向上提的時(shí)候，容器的容積增大。通過(guò)分析可知，此時(shí)容器內(nèi)的壓強(qiáng)減小，在其內(nèi)部形成了局部真空，如圖3所示，這就在容器內(nèi)外產(chǎn)生了大氣壓強(qiáng)差。

事實(shí)上，如果玻璃板表面（特別是玻璃板四周）沾有雜質(zhì)而非光潔，那么，水與玻璃板四周形成的密閉程度就會(huì)大打折扣，當(dāng)玻璃板向上提起時(shí)，就會(huì)在這些雜質(zhì)物上形成空隙，空氣就會(huì)從這些空隙進(jìn)入到等效容器內(nèi)部，這樣便不可能形成如圖3所示的局部真空區(qū)域，也就不存在大氣壓強(qiáng)差。

五、拉力大小的決定因素

光潔玻璃板的上下表面之間存在大氣壓強(qiáng)差，這才是玻璃上提的拉力大于玻璃板重力原因。

事實(shí)上，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，我們可以不考慮玻璃分子與水分子間的分子引力造成的浸潤(rùn)問(wèn)題，而把因此產(chǎn)生的效應(yīng)用一個(gè)實(shí)際的氣壁來(lái)等效代替?？紤]了這些因素，我們把玻璃板做成如圖4所示的冠狀玻璃。此時(shí)，浸入水中的冠狀玻璃向上提起時(shí)，同樣會(huì)在玻璃與水之間形成局部真空區(qū)域，產(chǎn)生內(nèi)外大氣壓強(qiáng)差。

于是，便有了“使向上拉力大于玻璃板重力的原因是在玻璃板上下兩表面之間存在有向下的大氣壓力”的第一種解釋。如圖5的受力圖所示，T是向上的拉力，G是玻璃板的重力，F(xiàn)是大氣壓力，而F的大小為F=S△P（其中△P是玻璃板上下的大氣壓強(qiáng)差，是玻璃的面積）。

當(dāng)然，這不是唯一的解釋?zhuān)聦?shí)上，我們除了可以單獨(dú)地把玻璃板當(dāng)作研究對(duì)象之外，還可以把與玻璃板具有相同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的水和玻璃板一起作為我們研究對(duì)象。因?yàn)槲覀兛梢钥吹剑?dāng)我們向上提起玻璃板的時(shí)候，發(fā)生向上運(yùn)動(dòng)的并不是只有玻璃板，其下方的部分水也隨著一起發(fā)生相同的運(yùn)動(dòng)。如圖6所示，這時(shí)的重力G并不只是玻璃板的重力，而是玻璃板與高于水平面部分的水的重力之和。

也許，有人會(huì)問(wèn)：大氣壓強(qiáng)差哪兒去了？其實(shí)，正是大氣壓強(qiáng)差的作用，把部分的水壓至高出水平面的位置，并使這些水與玻璃板具有相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

事實(shí)上，如果我們真的用了冠狀玻璃，那么，無(wú)論其表面是否光潔，只要玻璃從液體（水、酒精、水銀等）表面提起，其向上的拉力都必然大于玻璃的重力?？梢?jiàn)，這道高考題的答案是錯(cuò)誤的，水分子與玻璃分子間的分子引力并不是使拉力大于玻璃重力的主要原因，這道高考題在命題時(shí)就存在科學(xué)性錯(cuò)誤。