活用教材 創(chuàng)新表面張力實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

施 堅(jiān)

人教版高中物理教材選修3-3有關(guān)表面張力在第七章第3節(jié)和第九章第2節(jié)都有出現(xiàn)，分別用實(shí)驗(yàn)和圖片展現(xiàn)。筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)書本安排的實(shí)驗(yàn)和圖片教學(xué)有可以創(chuàng)新和活用之處。比如，選修3-3第七章第3節(jié)《分子間的作用力》中的“問題與練習(xí)4”：把一塊洗凈的玻璃板吊在細(xì)線的下端，使玻璃板水平地接觸水面(如圖1所示)。如果你想使玻璃離開水面，必須用比玻璃板重量大的力向上拉細(xì)線。動(dòng)手試一試，并解釋為什么。

圖1

解析：玻璃板離開水面后，可以看到玻璃板下表面上仍有水，說明玻璃板離開水時(shí)，水層發(fā)生斷裂。水分子發(fā)生分裂時(shí)，由于玻璃分子和水分子、水分子之間存在引力，外力要克服這些分子引力，造成外界拉力大于玻璃板的重力。

該題中提及的水分子之間存在的引力其實(shí)即為表面張力，不過深入的學(xué)習(xí)要到第九章第2節(jié)。筆者在教學(xué)中分別就表面張力的演示和深入探究用幾個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)給學(xué)生，收到了很好的效果。

一、用自制紙質(zhì)彈簧來顯示破液前的張力

實(shí)驗(yàn)中破液時(shí)普通測力計(jì)上的數(shù)值和彈簧形變量欠視覺沖擊，能否通過簡易的方法適當(dāng)顯示呢？筆者在教學(xué)中用白紙做個(gè)紙彈簧，顯示效果很明顯。

材料準(zhǔn)備：廣口燒杯1個(gè)，水，1 cm寬紙條1根(制作方法：由A4白紙裁成，然后折疊形成外形很大但勁度系數(shù)極小的紙彈簧)，直徑約為10 cm的浸漆銅圈1個(gè)(制作方法：用直徑2 mm銅絲漆包線彎曲成直徑約為10 cm的銅圈，接口處刮去漆皮用電烙鐵配合焊錫絲平滑焊接好；為進(jìn)一步增強(qiáng)銅圈對(duì)水的不浸潤性，可把焊接好的銅圈在清漆中浸潤一下取出，然后晾曬24小時(shí))，焊接1個(gè)邊長為10 cm左右的圓形銅絲支架并與浸漆銅圈焊為一體(如圖2所示)。

圖2

操作方法：用紙質(zhì)彈簧把沉入水中的銅支架上拉，拉到液面位置時(shí)支架被液面擋住，此時(shí)紙彈簧開始變長，進(jìn)一步上拉紙彈簧長度會(huì)越來越大，直到瞬間液面被拉破后支架躍出水面，紙彈簧長度才瞬間變短。本演示可把破液前的液面張力顯示得非常明顯。如果事先用紙彈簧懸掛不同已知質(zhì)量的小砝碼片(200 mg以下)，記錄不同長度時(shí)對(duì)應(yīng)的拉力進(jìn)行粗略標(biāo)度，則本裝置還能粗略測定破液前的張力大小。

二、液膜被下壓和被上頂時(shí)的表面張力呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)

在選修3-3第九章第2節(jié)有一幅“水黽可以停在水面”的圖片，形象地展現(xiàn)了水面的表面張力(如圖3所示)。筆者在教學(xué)中在教學(xué)可以利用下面兩個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)分別演示液膜被下壓和液膜被上頂時(shí)呈現(xiàn)出的表面張力，效果明顯。

圖3

1.用浸漆銅圈做浮幣實(shí)驗(yàn)

“硬幣能浮在水面上”是一個(gè)顯示表面張力的典型實(shí)驗(yàn)，但現(xiàn)在市場上流通的新版硬幣材質(zhì)不同于早前的鋁質(zhì)硬幣，其密度太大了，再做浮幣實(shí)驗(yàn)難度非常大。為讓每個(gè)學(xué)生都能輕易體驗(yàn)觀察到表面張力，筆者用浸漆銅圈來代替硬幣，實(shí)驗(yàn)效果更非常好。

材料準(zhǔn)備：廣口燒杯1個(gè)，水，浸漆銅圈3個(gè)。

操作方法：先用手水平托住浸漆銅圈于水面稍上方后輕輕把手撤走，可以輕易把銅圈浮在水面上，且由于銅圈內(nèi)部是空的，可明顯觀察到銅圈中間的水面向上鼓起。這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生課后都體驗(yàn)一下，學(xué)生能清晰觀察到銅圈把液膜下壓變形，液膜要收縮產(chǎn)生彈性，從而把銅圈托住了(如圖4所示)。

圖4

再用小木棍輕輕擊打銅圈，可發(fā)現(xiàn)液面被打破后銅圈馬上下沉到杯底。拿出銅圈后輕輕一甩，由于浸漆銅圈和水不浸潤，馬上就把水甩干了，又能重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)也很容易作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)，筆者制作了十多個(gè)銅圈，和十幾個(gè)盛水燒杯一起放在教室后面空余課桌上，讓學(xué)生課后體驗(yàn)，效果非常好。

2.懸浮支架為什么不能冒出水面

上例演示的是液膜被下壓而產(chǎn)生張力，本例可以演示液膜被上浮物體頂起而產(chǎn)生張力，以至于物體被壓住而不能浮出水面。

材料準(zhǔn)備：廣口燒杯1個(gè)，水，5 ml的一次性注射器1個(gè)，小鐵塊1塊，橡皮活塞1個(gè)，兩側(cè)焊有銅絲支架的直徑8 cm的銅圈1個(gè)。

圖5

操作方法：將帶有支架的銅圈連接到注射器上，在注射器底端放置一個(gè)小鐵塊，注射器內(nèi)加水進(jìn)行配重，直到用橡皮活塞密封后整個(gè)裝置能豎直浮在水面上并部分冒出水面(如圖5所示)。

用手下壓支架使得整個(gè)裝置全部低于液面，然后松手，可見裝置會(huì)上浮，但銅圈支架上浮到液面處就再也不能繼續(xù)升高了(如圖6所示)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和很多學(xué)生猜測的“應(yīng)該會(huì)上升到初始位置”反差強(qiáng)烈，能充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探究欲望。通過深入探究學(xué)習(xí)，學(xué)生能深刻理解到原來是液面張力產(chǎn)生了把支架給壓住的效果。同樣用小木棒輕敲支架，瞬間打破液面，支架又能上升并回到初始位置。

圖6

三、用特質(zhì)泡泡液與特質(zhì)銅絲圈讓液膜更大更持久

在選修3-3第九章第2節(jié)有一個(gè)演示肥皂膜表面張力的實(shí)驗(yàn)，即用燒熱的針刺破棉線某一側(cè)的薄膜，觀察薄膜和棉線發(fā)生的變化。筆者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)普通的鐵絲圈拉出水面形成的液膜不僅體積小，且很快就會(huì)揮發(fā)破裂，難以讓學(xué)生深刻觀察與體驗(yàn)，為了使學(xué)生更真切地感受到肥皂膜體現(xiàn)出的表面張力做了如下改進(jìn)。

筆者受到玩具泡泡槍和超大型肥皂泡表演的啟發(fā)，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)查詢和多次實(shí)驗(yàn)，終于發(fā)現(xiàn)了比較適合表面張力演示的特制溶液配制方法。

材料準(zhǔn)備：特制泡泡液(由洗潔精、甘油、清水配制，具體配制比例為3:1:6；洗潔精的作用是讓水更有黏滯性不容易破裂，甘油可以讓水的揮發(fā)明顯變慢使得液膜能維持較長時(shí)間)，如圖7所示制作配套的銅絲圈(采用直徑為2.0 mm的銅絲，彎折成一個(gè)直徑達(dá)30 cm的銅圈，并用常見白紗線緊密地纏繞在銅絲上，白紗線可以吸附足夠的特制溶液并及時(shí)補(bǔ)充到液膜上)，盛特制泡泡液的容器。

圖7

操作方法：用上述銅絲圈浸沒于特制泡泡液后取出，液膜附著于銅圈內(nèi)側(cè)，形成的直徑達(dá)30 cm的液體膜，兩根細(xì)線在液膜內(nèi)呈松弛狀態(tài)。用粉筆尖輕觸兩線中間液膜，液膜隨即破裂，兩側(cè)液膜收縮，兩線呈繃緊狀態(tài)，且此狀態(tài)能維持1分鐘以上。本演示能形象地說明液體表面由于張力而有收縮趨勢，而且用兩根細(xì)線來演示能更好地幫助學(xué)生理解表面張力的方向。實(shí)驗(yàn)操作如圖8所示。

圖8

在操作中要注意的是，為什么要用粉筆尖輕觸兩線中間液膜？這是因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)要求捅破內(nèi)側(cè)液膜而不破壞另兩側(cè)液膜，若用手捅，液膜中細(xì)線會(huì)吸附在手指上且手指太大難于操作，而一些資料上采用燒紅的針尖來捅破液膜效果雖好，但操作煩瑣。筆者實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用粉筆效果非常好。因?yàn)榉酃P的吸水能力強(qiáng)，輕輕一觸，液膜就會(huì)破裂，且對(duì)細(xì)線另兩側(cè)的液膜幾乎無影響。

四、和表面張力來場趣味拔河比賽

除了讓學(xué)生清晰觀察表面張力，我們還有必要讓學(xué)生來趣味體驗(yàn)一下表面張力，這樣學(xué)生對(duì)此的印象就更加深刻。筆者設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)“和表面張力來拔河”，效果顯著。

材料準(zhǔn)備：特制泡泡液，盛特制泡泡液的容器，20 cm×10 cm左右的矩形框架1個(gè)(也是用以上規(guī)格銅絲彎折而成)，銅絲制作的有滑動(dòng)桿的支架并在滑動(dòng)桿中間系上一段細(xì)線(如圖9所示)。

圖9

操作方法：拉住細(xì)線，讓滑動(dòng)桿處于矩形框中間附近位置，然后整體放入上例所配制的特制泡泡溶液，放入再拿出可見到矩形液膜。比賽開始，當(dāng)松開拉住滑動(dòng)桿的細(xì)線，滑動(dòng)桿馬上被液膜拉到最右邊！稍用力拉細(xì)線，可把滑動(dòng)桿又拉到左邊再次形成矩形液膜。由于采用特別配制的溶液，以上拉鋸戰(zhàn)可重復(fù)多次后液膜才會(huì)揮發(fā)破裂。這個(gè)小實(shí)驗(yàn)不僅趣味盎然，還能把液膜由于張力而要收縮的性質(zhì)演繹到極致。

五、結(jié)束語

文中5個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)或者由書本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)而來，或者將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行放大，或者將圖片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)模擬展現(xiàn)，或者設(shè)計(jì)趣味實(shí)驗(yàn)增加課堂活力和“親和力”。本文設(shè)計(jì)的5個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，均能獲得明顯而又富有震撼力的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和效果，很好地演示和說明了表面張力的特點(diǎn)與規(guī)律，是通過自制教具來更好地組織和設(shè)計(jì)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益嘗試。