淺談大學(xué)物理關(guān)于液體表面張力演示實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

曹旭東　馮秀絨　王文偉

【摘 要】農(nóng)科《大學(xué)物理》是農(nóng)林院校大學(xué)生的一門必修課，液體表面張力是農(nóng)科《大學(xué)物理》的特有章節(jié)。筆者結(jié)合自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，通過液體表面張力一節(jié)的授課，闡述了《大學(xué)物理》教學(xué)中演示實(shí)驗(yàn)的重要性。

【關(guān)鍵詞】大學(xué)物理；表面張力；演示實(shí)驗(yàn)

農(nóng)科《大學(xué)物理》是農(nóng)林院校大學(xué)教學(xué)環(huán)節(jié)中的一門必修課程，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過《高等數(shù)學(xué)》等課程后，緊接著學(xué)習(xí)的一門課程?！洞髮W(xué)物理》作為一門基礎(chǔ)課，其在高等教育教學(xué)中的重要性毋庸置疑，教好學(xué)好這門課程成為大學(xué)生活中經(jīng)常談?wù)摰脑掝}。筆者作為一名農(nóng)科院校物理系講師，主要講授《大學(xué)物理》這門課程，結(jié)合近幾年的教學(xué)經(jīng)歷，主要談?wù)勗谵r(nóng)科特有的“液體表面張力”一節(jié)的講課經(jīng)驗(yàn)。

1 基本概念教學(xué)

液體表面指的是“液體與氣體的分界面處厚度等于分子有效作用半徑的那層液體?！盵1]那么，這部分液體有什么特殊性呢？液體內(nèi)部分子與液體表面分子，液體分子與氣體分子在動(dòng)力學(xué)方面均有不同。流體力學(xué)中液體在受到剪切應(yīng)力作用時(shí)，也會(huì)表現(xiàn)出類似固體的特性。液體表面張力是液體表面層存在的一種具有收縮趨勢(shì)的力。這種力使得液體表面層像張緊的彈性膜，總要使液體表面收縮到最小面積。

表面張力的量化需要用到表面張力系數(shù)。表面張力系數(shù)可從三種角度定義，即力學(xué)角度，做功角度和表面能的角度。實(shí)驗(yàn)表明，液體表面張力與線段長度L成正比，其比例系數(shù)稱為液體表面張力系數(shù)。用力撐開液膜使得液體表面積增大，這個(gè)力所做的功，經(jīng)過計(jì)算，其大小與液面面積的變化量成正比，其比例系數(shù)正好為液體表面張力系數(shù)。根據(jù)能量守恒和轉(zhuǎn)化定律，在溫度不變的情況下，外力完全用于克服表面張力所做的功，全部轉(zhuǎn)化為液體的表面層所增加的勢(shì)能，此勢(shì)能稱為表面能。因此，表面能的改變量與液面面積的變化量成正比，其比例系數(shù)正好為液體的表面張力系數(shù)。

2 演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)

表面張力系數(shù)的介紹通過三種角度分別進(jìn)行了定義，但讓學(xué)生更快更好的理解表面張力系數(shù)的含義，僅僅通過文字和公式是不夠的，通過演示實(shí)驗(yàn)的方法，使學(xué)生獲得最直觀的感受，既能使學(xué)生產(chǎn)生深刻的印象，又能活躍課堂氣氛，增添學(xué)習(xí)樂趣?！耙后w的表面張力系數(shù)測(cè)定”是農(nóng)科《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》的內(nèi)容之一，有多種方法進(jìn)行測(cè)量，例如拉脫法、傳感器法、毛細(xì)管法等。經(jīng)典測(cè)量方法是拉脫法。實(shí)驗(yàn)中，金屬絲置于液體表面，拉動(dòng)金屬絲框，金屬絲框?qū)⒗鹚ぁ４藭r(shí)水膜對(duì)金屬絲框的表面張力依然存在，但兩側(cè)的表面張力不在同一作用線上，而是沿液面切線方向向下，其夾角小于180°，由此會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下的分力。繼續(xù)拉動(dòng)金屬絲框，金屬絲框會(huì)將水膜拉起使其更為傾斜，兩側(cè)表面張力的夾角變小，致使向下的分力增大。進(jìn)一步增大拉力，最終水膜被拉起至與水平面垂直，表面張力豎直向下，其對(duì)金屬絲框的拉力達(dá)到最大，等于兩側(cè)表面張力的代數(shù)和。若進(jìn)一步拉起金屬絲框，水分子的表面張力不足以帶動(dòng)更多的水分子上升，水膜即發(fā)生斷裂。此時(shí)讀出拉動(dòng)金屬絲框的拉力值，即可計(jì)算出表面張力的大小。拉脫法使用的焦利秤，儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，很適合做教學(xué)演示。實(shí)驗(yàn)需要如下步驟：先調(diào)整彈簧下端的金屬夾使三線對(duì)準(zhǔn)，再操作焦利秤上端使彈簧與金屬絲受到向上的拉力，同時(shí)，操作液體下平臺(tái)螺絲使平臺(tái)下降以對(duì)金屬絲產(chǎn)生向下拉力，同時(shí)觀測(cè)玻璃夾狀態(tài)，利用雙手配合使玻璃夾處三條線始終對(duì)準(zhǔn)，直至液面水膜破裂，三線對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)發(fā)生突變，即可測(cè)得液體的表面張力。[2]在實(shí)驗(yàn)時(shí)需要手眼配合，注意力集中。上課演示此實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生聚精會(huì)神，結(jié)合剛剛講過的液體表面張力概念，體會(huì)液面的細(xì)微變化。液面在被拉起時(shí)，看到教師緊盯玻璃夾，心里想著液面將破，內(nèi)心的緊張刺激表露無遺。

3 理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合的意義

在《大學(xué)物理》的教學(xué)過程中，要求學(xué)生在一個(gè)學(xué)期內(nèi)學(xué)完包括力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、近代物理等章節(jié)的全部?jī)?nèi)容，雖然這些知識(shí)點(diǎn)都是各自部分的基礎(chǔ)內(nèi)容，但整個(gè)算下來，一個(gè)學(xué)期的時(shí)間要想把知識(shí)講清講透，讓學(xué)生感到學(xué)懂了學(xué)會(huì)了，確實(shí)有點(diǎn)倉促。近年，由于課程調(diào)整，筆者所在學(xué)校的《大學(xué)物理》農(nóng)科課程課時(shí)由最初的64學(xué)時(shí)下降到48學(xué)時(shí)，時(shí)間上更為捉襟見肘。因此，滿堂灌式的學(xué)習(xí)形式已不能滿足教學(xué)雙方的需要，一定要找到一條新路。物理是一門理論實(shí)驗(yàn)并重的學(xué)科，理論實(shí)驗(yàn)相輔相成。課堂上進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，雖然會(huì)占用一些理論課時(shí)間，但從長遠(yuǎn)看，有利于學(xué)生充分理解所學(xué)知識(shí)。大學(xué)課堂和中學(xué)課堂不同，要在較短的時(shí)間內(nèi)講述更深刻的內(nèi)容，對(duì)于老師和學(xué)生都是非常大的挑戰(zhàn)。學(xué)生應(yīng)當(dāng)利用課余時(shí)間，充分了解教學(xué)內(nèi)容，在課堂上教師將學(xué)生在課下不能了解到的或前沿的內(nèi)容呈現(xiàn)給學(xué)生們，不能也沒必要照本宣科。如今，互聯(lián)網(wǎng)上可以免費(fèi)看到很多國內(nèi)外大學(xué)的教學(xué)視頻，數(shù)字期刊在學(xué)校的網(wǎng)站上可以免費(fèi)瀏覽，學(xué)生的學(xué)習(xí)資源空前豐富，應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)學(xué)生去使用這些資源，在有限的時(shí)間內(nèi)完成學(xué)習(xí)任務(wù)?！洞髮W(xué)物理》教學(xué)過程中可以進(jìn)行的演示實(shí)驗(yàn)非常多，通過演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)，一方面，可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)，擺脫滿腦子的公式和概念，轉(zhuǎn)而有一份期待——在課堂中看到各種實(shí)驗(yàn)儀器和新奇的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象——增添其探索更復(fù)雜物理世界的興趣；另一方面，學(xué)生提高了學(xué)習(xí)興趣，能夠自發(fā)學(xué)習(xí)，才能夠更好的完成學(xué)習(xí)任務(wù)，取得好成績(jī)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王國棟，主編.大學(xué)物理學(xué)[M].2013：58-62.

[2]王國棟，主編.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].2008：109-119.

[責(zé)任編輯：李書培]