水往高處走

黃萍

南京市鼓樓實(shí)驗(yàn)小學(xué)科學(xué)教師，碩士，畢業(yè)于上海大學(xué)；從教期間，獲得鼓樓區(qū)小學(xué)科學(xué)命題大賽一等獎(jiǎng)、鼓樓區(qū)作業(yè)設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)等，指導(dǎo)學(xué)生參加江蘇省中小學(xué)生金鑰匙科技競(jìng)賽多次獲獎(jiǎng)。

在蘇教版科學(xué)教材三年級(jí)下冊(cè)，我們學(xué)了《紙》這一課，知道不同類(lèi)型的紙吸水能力不同。為了探究牛皮紙、宣紙、報(bào)紙等紙的吸水能力，我們將其折疊成大小、厚度、高度相同的紙條后，將一端豎直地放進(jìn)盛水的杯中，觀察到水沿著紙張慢慢往上升。我們可以通過(guò)水上升的高度，判斷紙張的吸水能力。

水往高處走的現(xiàn)象也叫毛細(xì)現(xiàn)象，這到底是什么原因呢？我們一起來(lái)探究一下吧！

神奇的力——表面張力

同學(xué)們有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，在夏天的清晨，樹(shù)葉上的露珠都是球形的；將水滴到桌面上，水的形狀也是球形的；忘記擰緊水龍頭，水滴的形狀也是球形的；不小心打碎水銀溫度計(jì)，水銀滴落在地上也呈球形。通過(guò)仔細(xì)觀察，我們還會(huì)發(fā)現(xiàn)：一些輕巧的小昆蟲(chóng)在水面上行走自如；倒水的時(shí)候，有時(shí)水面高于杯口卻始終沒(méi)有漫出來(lái)……這些生活中常見(jiàn)的現(xiàn)象都蘊(yùn)藏著同一個(gè)科學(xué)原理——液體的表面張力。

世界是物質(zhì)的，物質(zhì)由大量分子組成。例如，水由水分子組成，氧氣由氧分子組成。荷蘭物理學(xué)家范德華在1873 年提出分子與分子之間存在相互作用力，即吸引力和排斥力。例如，一支粉筆有一定的形狀和體積，而不是“一盤(pán)散沙”；兩滴水靠近后，會(huì)合成一滴水……這些現(xiàn)象都證明了分子間吸引力的存在。使勁壓一個(gè)氣球，到一定程度后，氣球難以被壓縮，也證明了分子間斥力的存在。分子間的距離越小，吸引力就越大。

水中含有大量的水分子，由于水分子之間相互吸引，因此每個(gè)水分子就像小人一樣彼此拉著手。當(dāng)一個(gè)水分子往前運(yùn)動(dòng)時(shí)，在一定距離內(nèi)就會(huì)拉著另一個(gè)水分子一起往前。對(duì)于一滴水而言，水表面與空氣接觸的水分子被內(nèi)部的水分子拉著。在一定范圍內(nèi)，這個(gè)力量一直存在，這就是表面張力。另外，對(duì)于體積一定的物體而言，球形的表面積最小，在沒(méi)有外力作用下的水分子朝著縮小表面積的方向相互靠攏，就形成了球形。裝滿(mǎn)水的水杯，從側(cè)面看，水面呈現(xiàn)弧形，也是緣于此。

看到這里，你已經(jīng)知道為什么紙張中的水會(huì)一起往前“走”了吧。因?yàn)樗肿酉嗷ダ舜四?！你是不是還在思考：為什么低處的水會(huì)往高處走？是什么力量拉動(dòng)了水表面的水分子？

密度決定液面形狀

為了解決這個(gè)疑惑，我們首先來(lái)仔細(xì)觀察裝水的試管中液面的形狀——是凹形的。液面的形狀是由液體的表面張力決定的：密度比水?。ㄈ缇凭┗虻扔谒囊后w在試管中會(huì)成凹液面，而密度比水大（如水銀）的液體在試管中會(huì)成凸液面。這是因?yàn)樗筒Ａчg也有分子間作用力，水分子間的拉力小于水與玻璃之間的拉力，所以水與玻璃交界處，水會(huì)被玻璃拉上去，呈凹狀。如果液面是彎曲的，它就有一種變平的趨勢(shì)。因此，凹液面對(duì)下面的液體施以拉力，凸液面對(duì)下面的液體施以壓力?！八咛幾摺钡默F(xiàn)象中，最原始的向上“走”的動(dòng)力就來(lái)自液面表層分子的拉力。

萬(wàn)有引力參與其中

有些同學(xué)可能又有疑惑了：試管中的水沒(méi)有一直上升呀？這就要講到一個(gè)偉大的物理學(xué)家——牛頓。相傳牛頓在蘋(píng)果樹(shù)下看書(shū)，被蘋(píng)果砸中，發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律。萬(wàn)有引力定律指出任何兩個(gè)物體之間都存在著吸引力，吸引力的大小與兩個(gè)物體的質(zhì)量和物體之間的距離有關(guān)：物體間的距離一定時(shí)，兩個(gè)物體的質(zhì)量越大，吸引力越大；物體的質(zhì)量一定時(shí)，物體間距離越大，吸引力越小。

由于地球的質(zhì)量很大，并且地球與地球上的物體距離十分接近，因此地球會(huì)給地球表面所有的物體施加一個(gè)十分強(qiáng)大的吸引力（一個(gè)50千克的人站在地面上受到的地球引力大約有500牛頓），地球的引力方向?yàn)樨Q直向下。所以，我們不管怎么用力向上跳，都會(huì)落到地面。

試管中的水也受到地球?qū)λ蛳碌奈Γ蕉?，豎直向下的吸引力就越大。我們一起簡(jiǎn)單分析管內(nèi)液體的受力情況：當(dāng)向上的拉力小于管內(nèi)液體受到的吸引力時(shí)，管內(nèi)的液體不會(huì)上升；當(dāng)向上的拉力大于管內(nèi)液體受到的吸引力時(shí)，管內(nèi)的液體上升，直到拉力跟管內(nèi)液體所受的吸引力相等時(shí)，管內(nèi)的液體停止上升，達(dá)到平衡。

所以，我們通常在一些十分細(xì)小的管子（也叫毛細(xì)管）中才可以看到“水往高處走”的現(xiàn)象，因?yàn)樵诩?xì)小的管子中，液體質(zhì)量小，對(duì)應(yīng)受到的地球引力也小。像醫(yī)院采血用到的毛細(xì)管采血針，直徑僅僅零點(diǎn)幾毫米。這也很好地解釋了為什么將尺子緊貼杯壁，也可以出現(xiàn)“水往高處走”的現(xiàn)象。因?yàn)楫?dāng)尺子與杯壁之間的縫隙很小時(shí)，就可以視作毛細(xì)管。

紙張中的毛細(xì)管

通過(guò)上文的解釋?zhuān)覀冎懒嗣?xì)現(xiàn)象的產(chǎn)生需要十分狹小的管道。那紙張中的“管道”在哪里呢？造紙的原材料主要來(lái)自森林里的樹(shù)木和蘆葦草等，原料中含有纖維素、半纖維素、木素三大主要成分。我們常用的紙由樹(shù)木的纖維制成，纖維之間的縫隙十分小，因此在紙張內(nèi)部形成了無(wú)數(shù)個(gè)細(xì)小的毛細(xì)管。當(dāng)紙張和水接觸后，水通過(guò)這些細(xì)小的縫隙，在表面張力的作用下，順利浸潤(rùn)了上方的紙張。

同學(xué)們，學(xué)到這里，你們知道“水逆流而上”的奧秘了嗎？生活中，很多神奇的現(xiàn)象都蘊(yùn)藏著滿(mǎn)滿(mǎn)的科學(xué)知識(shí)，平時(shí)要多留心、多發(fā)現(xiàn)、多思考，才會(huì)有更多的收獲喲！

（責(zé)任編輯：陸艷）