淺談量筒中液體液面的凹凸

摘要：量筒中待測(cè)液體的液面一般都不是完全水平的，在測(cè)量常見的水溶液時(shí)，量筒中液體液面是凹陷的;在測(cè)量水銀等液體的體積時(shí)，液面是向上凸起的.學(xué)生在學(xué)習(xí)這方面知識(shí)時(shí)，只知道有這樣的現(xiàn)象，知道讀數(shù)時(shí)視線要與凹液面最低處或凸液面最高處持平，卻不知為什么.本文就這一現(xiàn)象展開討論，希望教師在引導(dǎo)學(xué)生思考這類問題時(shí)對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)能起到一定促進(jìn)作用.

關(guān)鍵詞：量筒;浸潤(rùn)與不浸潤(rùn);核心素養(yǎng)

文章編號(hào)：1008-4134（2019）20-0023中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡(jiǎn)介：文婷（1994-），女，陜西西安人，碩士研究生，研究方向：物理教育學(xué).

學(xué)生剛接觸物理時(shí)，會(huì)學(xué)到一些實(shí)驗(yàn)儀器的使用，量筒是其中較常見也是很重要的用來量取液體的玻璃儀器.包括在之后學(xué)習(xí)化學(xué)、生物等學(xué)科時(shí)，也會(huì)用到量筒.能正確地使用量筒，較準(zhǔn)確地進(jìn)行量筒中液體體積的讀數(shù)，是學(xué)生必須掌握的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技能.

1問題提出

初中階段教師對(duì)量筒的讀數(shù)有如下說明：用量筒測(cè)量液體體積，讀數(shù)時(shí)視線應(yīng)與量筒中待測(cè)液體凹液面的最低處持平.有些教材或教輔上還會(huì)提到測(cè)量水銀體積時(shí)，量筒中水銀液面是凸起的，這時(shí)讀數(shù)視線應(yīng)與凸液面的最高處平行（如圖1所示）.

水平水平，“水”在量筒中居然不平了.這是一個(gè)有趣且值得思考的問題.但是幾乎沒有老師會(huì)告訴學(xué)生為什么會(huì)出現(xiàn)凹液面或凸液面，為什么應(yīng)該那樣讀數(shù).學(xué)生可能會(huì)有疑問，但也很少會(huì)去問老師或自己思考探究為什么會(huì)這樣.

2聯(lián)系教材知識(shí)，揭示現(xiàn)象內(nèi)因

高中物理選修3-3中有關(guān)液體的浸潤(rùn)與不浸潤(rùn)相關(guān)知識(shí)就可以很好地解釋這種現(xiàn)象以及這種讀數(shù)規(guī)定.但是就筆者所知，由于這部分知識(shí)屬于選考內(nèi)容中要求較少的知識(shí)，所以很少有教師和學(xué)生給予足夠的時(shí)間和精力在教授和學(xué)習(xí)這部分知識(shí)上.也就很少有人會(huì)聯(lián)想到量筒中凹液面或凸液面的產(chǎn)生原因.

如圖2a所示，量筒中待測(cè)液體A的液面是凹陷的，這是因?yàn)橐后wA浸潤(rùn)制成量筒的玻璃.產(chǎn)生浸潤(rùn)現(xiàn)象時(shí)，液體A與固體接觸面部分的附著層液體分子受到的來自固體分子的附著力大于來自液體內(nèi)部分子的內(nèi)聚力，從而使附著層液體分子較液體內(nèi)部分子更加密集，分子間距會(huì)小于分子力的平衡距離.這時(shí)，這部分液體分子間的相互作用力表現(xiàn)為斥力，附著層分子會(huì)相互排斥，在量筒中宏觀表現(xiàn)為液體A沿著豎直的量筒壁向上蔓延，從而出現(xiàn)凹液面.

同理，如圖2b所示，待測(cè)液體B不浸潤(rùn)玻璃，附著層液體分子受到的內(nèi)聚力大于附著力，附著層液體分子較液體內(nèi)部分子更稀疏，分子間距大于分子力平衡距離.這時(shí)，這部分液體分子間的相互作用將表現(xiàn)為引力，就會(huì)出現(xiàn)與液體表面張力類似的向內(nèi)收縮的力，在量筒中宏觀表現(xiàn)為液體B沿著豎直量筒壁向下收縮，從而出現(xiàn)凸液面.

知道了量筒中液體凹液面和凸液面出現(xiàn)的原因，也就可以很好地理解為什么量筒讀數(shù)時(shí)要讀凹液面的最低處和凸液面的最高處了.因?yàn)橹饕且后w與固體接觸的一小部分液體向上擴(kuò)展或向下收縮，所以所謂的凹液面或凸液面只是液體與量筒壁接觸的較少部分液面向上或向下彎曲，中間部分的液面還是水平的.因此，教師或?qū)W者在進(jìn)行量筒讀數(shù)相關(guān)題目的編制時(shí)，如圖3所示的量筒中液面完全凹陷或凸起或平直都是不準(zhǔn)確的.而讀數(shù)時(shí)視線與凹液面最低處或凸液面最高處平行，誤差相對(duì)較小.

那么，所有浸潤(rùn)玻璃的液體在量筒中凹陷程度都一樣嗎？并不是，不同種類的浸潤(rùn)玻璃的液體在同一量筒中液面凹陷程度是不同的.而同一液體在不同種玻璃材質(zhì)制成的量筒中液面凹陷程度也是不同的.液面的凹陷或凸起程度與待測(cè)液體和制成量筒的固體兩種物質(zhì)的性質(zhì)都有關(guān).此外，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，同種液體在同種材質(zhì)制成的不同內(nèi)徑的量筒中，液面凹陷程度也是有所不同的.量筒內(nèi)徑越小，凹陷程度越大，這可以聯(lián)系到毛細(xì)現(xiàn)象相關(guān)知識(shí).

3教學(xué)前后聯(lián)系，培養(yǎng)核心素養(yǎng)

2017年頒布了普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)，新課標(biāo)提出了培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，物理核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，要求學(xué)生能對(duì)生活中的物理情境進(jìn)行分析，能基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題，具有質(zhì)疑意識(shí)等.在初中學(xué)習(xí)量筒讀數(shù)時(shí)，教師就可以引導(dǎo)學(xué)生思考，為什么量筒中液體液面會(huì)不水平，鼓勵(lì)學(xué)生自己查閱資料信息，初次接觸浸潤(rùn)與不浸潤(rùn)的概念.讓學(xué)生嘗試從物理學(xué)角度看待這些現(xiàn)象，能基于觀察提出問題，基于問題查找資料獲取信息.之后在高中選擇性必修三的學(xué)習(xí)中，會(huì)再次接觸這部分知識(shí)，而且可以從更深入的分子動(dòng)理論分析浸潤(rùn)與不浸潤(rùn)現(xiàn)象的內(nèi)因，再次提出量筒中液體液面不平的問題.培養(yǎng)學(xué)生物理觀念中物質(zhì)觀念和相互作用觀念等，同時(shí)讓學(xué)生養(yǎng)成對(duì)常見的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析的習(xí)慣，還可以讓學(xué)生在浸潤(rùn)與不浸潤(rùn)知識(shí)的基礎(chǔ)上思考我們?nèi)粘Ｊ褂玫乃⑺璧葍?nèi)徑較大的容器，其中液體液面是否水平？液體與容器壁接觸部分的液面是否水平？讓學(xué)生在之前觀察的基礎(chǔ)上推理量筒中液體液面的凹陷程度或凸起程度與哪些因素有關(guān)，制訂相關(guān)探究實(shí)驗(yàn)，從而引出后面的毛細(xì)現(xiàn)象相關(guān)知識(shí).

這整個(gè)過程可以讓學(xué)生養(yǎng)成從物理學(xué)的視角觀察生活中常見現(xiàn)象的意識(shí)，鍛煉學(xué)生在觀察物理現(xiàn)象的過程中提出物理問題、將實(shí)際問題中的對(duì)象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型的能力，并培養(yǎng)其根據(jù)問題制訂科學(xué)探究方案的能力.這樣引導(dǎo)學(xué)生分析、推理、探究那些常見卻難以引起他們注意的物理現(xiàn)象過程，對(duì)提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)有較大的促進(jìn)作用.

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（收稿日期：2019-05-29）