探究透明皂蘊(yùn)含的物理知識(shí)

周源 尚紅年

摘 要：通過(guò)透明皂做實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了牛頓第一、第二定律力學(xué)知識(shí)，并通過(guò)透明皂飽和溶液驗(yàn)證光的直線傳播、折射、反射及薄膜干涉的規(guī)律，以及分子熱運(yùn)動(dòng)的物理知識(shí)。物理啟發(fā)思考、改變生活、創(chuàng)造未來(lái)，與生活息息相關(guān)。就連透明皂也不例外，透明皂可以用來(lái)做很多物理實(shí)驗(yàn)，可以獲得有關(guān)物理學(xué)習(xí)的相關(guān)知識(shí)。

關(guān)鍵詞：探究；透明皂；物理知識(shí)

《化學(xué)教育》上解釋?zhuān)骸巴该髟硎且环N透明的肥皂?！睆倪@句話里面，我們可以得到透明皂的許多相關(guān)性質(zhì)，（1）是無(wú)色透明的，而且易溶于水，是有機(jī)溶劑，由此我們可以聯(lián)想到它的光學(xué)性質(zhì)及從它的光學(xué)性質(zhì)上探究與其相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。（2）透明皂的本質(zhì)是肥皂，而其成分中的金屬主要是鈉或鉀等堿金屬。廣義上，肥皂也是油脂、蠟、松香或脂肪酸等和堿類(lèi)起皂化或中和反應(yīng)所得的脂肪酸鹽，因此我們便可以知道透明皂的質(zhì)地非常柔軟之因；它具有很強(qiáng)的可塑性，這意味著我們可以著手研究它的力學(xué)性質(zhì)和其熱學(xué)方面的性質(zhì)，同時(shí)我們還可以根據(jù)透明皂的“金屬主要是鈉或鉀等堿金屬”來(lái)研究透明皂的電學(xué)性質(zhì)——透明皂是否導(dǎo)電？它是導(dǎo)體還是絕緣體？接下來(lái)，我們就從這些性質(zhì)入手來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步相關(guān)的實(shí)驗(yàn)探究，看看透明皂中究竟蘊(yùn)含著哪些物理知識(shí)。

一、力學(xué)實(shí)驗(yàn)——牛頓定律的驗(yàn)證

1.牛頓第二定律——物體的加速度跟物體所受的合外力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。

由于透明皂的表面非常光滑，所以我們可以考慮用其代替小車(chē)進(jìn)行驗(yàn)證力與加速度相關(guān)的實(shí)驗(yàn)以減小誤差。如圖所示裝置，保持透明皂質(zhì)量M不變，改變鉤碼的質(zhì)量m，從而改變細(xì)線對(duì)透明皂的牽引力F（當(dāng)m≤M時(shí)，F(xiàn)=mg近似成立），測(cè)出透明皂的對(duì)應(yīng)加速度a，由多組a、F數(shù)據(jù)做出加速度和力的關(guān)系a-F圖線，探究加速度與外力的關(guān)系；保持鉤碼的質(zhì)量m不變，在透明皂上加減砝碼，改變透明皂的質(zhì)量M，測(cè)出透明皂的對(duì)應(yīng)加速度a，由多組a、M數(shù)據(jù)做出加速度和質(zhì)量倒數(shù)的關(guān)系a-圖線，探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系，可得出力與加速度的關(guān)系式為∑F=ma。

2.牛頓第一定律——任何物體都要保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到外力迫使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止

同用透明皂驗(yàn)證牛頓第二定律的思想一樣，我們同樣可以利用透明皂“光滑”這個(gè)神奇的力學(xué)性質(zhì)來(lái)驗(yàn)證牛頓第一定律，如下裝置圖，讓一塊透明皂與一個(gè)粗糙木塊分別從斜面上滑下，斜面末端放毛巾、木板與玻璃板，然后仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以很明顯地發(fā)現(xiàn)：當(dāng)兩者接觸面越光滑，小車(chē)滑動(dòng)的距離越遠(yuǎn)，說(shuō)明摩擦力是阻礙物體運(yùn)動(dòng)的原因，因?yàn)槟Σ亮Φ拇嬖谑刮矬w運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了變化，從而可以推測(cè)當(dāng)兩者之間無(wú)摩擦，即摩擦力為零時(shí)物體將會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去。

二、光學(xué)實(shí)驗(yàn)——光的“四射”

1.光沿直線傳播

由肥皂的性質(zhì)可知肥皂易溶于水，即其溶于水會(huì)形成溶質(zhì)直徑小于1nm的溶液，我們將一塊透明皂放入水中制成飽和溶液，放置兩天（為使其充分溶解并形成均勻透明的溶液），用激光筆照射溶液，會(huì)看到一條明亮通路，出現(xiàn)“丁達(dá)爾效應(yīng)”，由此可以說(shuō)明光在均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的。

2.光的反射定律

借助（1）中的肥皂液我們也可以驗(yàn)證光的反射定律，首先在溶液中放置一個(gè)平面鏡，用激光筆照射溶液中的平面鏡，會(huì)看到一條“V”字形的“光路”，然后經(jīng)過(guò)測(cè)量可以發(fā)現(xiàn)光的入射角和反射角相等。由此可以驗(yàn)證光的反射定律。

3.光的折射

就如同牛頓的三棱鏡一樣，我們?cè)谕该髟碇幸部梢杂^察到五彩斑斕的景象，而這便是光的折射。而其背后所蘊(yùn)含的原理也和它的顯現(xiàn)一樣美妙，那便是光的折射定律。在驗(yàn)證光的折射定律的實(shí)驗(yàn)中，我們同樣需要飽和的肥皂液來(lái)助我們一臂之力——將一束平行光照射至肥皂液面，可以測(cè)量出該束光的入射角與折射角而根據(jù)數(shù)學(xué)中的三角函數(shù)知識(shí)易得sinφ1/sinφ2=n21。

4.光的薄膜干涉

將鐵絲圈在透明皂溶解形成的肥皂水中蘸一下，鐵絲圈上就形成了一個(gè)薄膜。用燈光照射薄膜便可以看到，薄膜表面上出現(xiàn)了許多明暗相間條紋，即是光的干涉條紋。而這是由于重力的作用，薄膜上薄下厚，即薄膜表面前后的光發(fā)生了干涉所引起的。因此我們可以得出結(jié)論：光也是一種波。

三、熱學(xué)實(shí)驗(yàn)——分子熱運(yùn)動(dòng)

1.分子間有相互作用的吸引力

將兩塊透明皂壓緊后，它們會(huì)緊緊連在一起，提上面一塊時(shí)，下面一塊也會(huì)被提起來(lái)，說(shuō)明分子間有吸引力的作用。

2.分子在永不停息地做著無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)

將兩塊不同顏色的透明皂水平輕輕疊放在一起，一段時(shí)間后可以明顯觀察到兩塊透明皂之間的接觸面的顏色出現(xiàn)了混合的現(xiàn)象，這說(shuō)明分子在永不停息地做著無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

從以上列舉的小實(shí)驗(yàn)可以看出，將物理融入生活，連一個(gè)小小的透明皂都能玩得風(fēng)生水起，那么物理的學(xué)習(xí)也會(huì)更加生動(dòng)有趣了！