活用教材 创新表面张力实验设计

施 坚

人教版高中物理教材选修3-3有关表面张力在第七章第3节和第九章第2节都有出现，分别用实验和图片展现。笔者在教学中发现书本安排的实验和图片教学有可以创新和活用之处。比如，选修3-3第七章第3节《分子间的作用力》中的“问题与练习4”：把一块洗净的玻璃板吊在细线的下端，使玻璃板水平地接触水面(如图1所示)。如果你想使玻璃离开水面，必须用比玻璃板重量大的力向上拉细线。动手试一试，并解释为什么。

图1

解析：玻璃板离开水面后，可以看到玻璃板下表面上仍有水，说明玻璃板离开水时，水层发生断裂。水分子发生分裂时，由于玻璃分子和水分子、水分子之间存在引力，外力要克服这些分子引力，造成外界拉力大于玻璃板的重力。

该题中提及的水分子之间存在的引力其实即为表面张力，不过深入的学习要到第九章第2节。笔者在教学中分别就表面张力的演示和深入探究用几个创新实验呈现给学生，收到了很好的效果。

一、用自制纸质弹簧来显示破液前的张力

实验中破液时普通测力计上的数值和弹簧形变量欠视觉冲击，能否通过简易的方法适当显示呢？笔者在教学中用白纸做个纸弹簧，显示效果很明显。

材料准备：广口烧杯1个，水，1 cm宽纸条1根(制作方法：由A4白纸裁成，然后折叠形成外形很大但劲度系数极小的纸弹簧)，直径约为10 cm的浸漆铜圈1个(制作方法：用直径2 mm铜丝漆包线弯曲成直径约为10 cm的铜圈，接口处刮去漆皮用电烙铁配合焊锡丝平滑焊接好；为进一步增强铜圈对水的不浸润性，可把焊接好的铜圈在清漆中浸润一下取出，然后晾晒24小时)，焊接1个边长为10 cm左右的圆形铜丝支架并与浸漆铜圈焊为一体(如图2所示)。

图2

操作方法：用纸质弹簧把沉入水中的铜支架上拉，拉到液面位置时支架被液面挡住，此时纸弹簧开始变长，进一步上拉纸弹簧长度会越来越大，直到瞬间液面被拉破后支架跃出水面，纸弹簧长度才瞬间变短。本演示可把破液前的液面张力显示得非常明显。如果事先用纸弹簧悬挂不同已知质量的小砝码片(200 mg以下)，记录不同长度时对应的拉力进行粗略标度，则本装置还能粗略测定破液前的张力大小。

二、液膜被下压和被上顶时的表面张力呈现实验

在选修3-3第九章第2节有一幅“水黾可以停在水面”的图片，形象地展现了水面的表面张力(如图3所示)。笔者在教学中在教学可以利用下面两个创新实验分别演示液膜被下压和液膜被上顶时呈现出的表面张力，效果明显。

图3

1.用浸漆铜圈做浮币实验

“硬币能浮在水面上”是一个显示表面张力的典型实验，但现在市场上流通的新版硬币材质不同于早前的铝质硬币，其密度太大了，再做浮币实验难度非常大。为让每个学生都能轻易体验观察到表面张力，笔者用浸漆铜圈来代替硬币，实验效果更非常好。

材料准备：广口烧杯1个，水，浸漆铜圈3个。

操作方法：先用手水平托住浸漆铜圈于水面稍上方后轻轻把手撤走，可以轻易把铜圈浮在水面上，且由于铜圈内部是空的，可明显观察到铜圈中间的水面向上鼓起。这个实验可以让学生课后都体验一下，学生能清晰观察到铜圈把液膜下压变形，液膜要收缩产生弹性，从而把铜圈托住了(如图4所示)。

图4

再用小木棍轻轻击打铜圈，可发现液面被打破后铜圈马上下沉到杯底。拿出铜圈后轻轻一甩，由于浸漆铜圈和水不浸润，马上就把水甩干了，又能重复以上实验。该实验也很容易作为学生实验，笔者制作了十多个铜圈，和十几个盛水烧杯一起放在教室后面空余课桌上，让学生课后体验，效果非常好。

2.悬浮支架为什么不能冒出水面

上例演示的是液膜被下压而产生张力，本例可以演示液膜被上浮物体顶起而产生张力，以至于物体被压住而不能浮出水面。

材料准备：广口烧杯1个，水，5 ml的一次性注射器1个，小铁块1块，橡皮活塞1个，两侧焊有铜丝支架的直径8 cm的铜圈1个。

图5

操作方法：将带有支架的铜圈连接到注射器上，在注射器底端放置一个小铁块，注射器内加水进行配重，直到用橡皮活塞密封后整个装置能竖直浮在水面上并部分冒出水面(如图5所示)。

用手下压支架使得整个装置全部低于液面，然后松手，可见装置会上浮，但铜圈支架上浮到液面处就再也不能继续升高了(如图6所示)。这个实验现象和很多学生猜测的“应该会上升到初始位置”反差强烈，能充分激发学生学习兴趣和探究欲望。通过深入探究学习，学生能深刻理解到原来是液面张力产生了把支架给压住的效果。同样用小木棒轻敲支架，瞬间打破液面，支架又能上升并回到初始位置。

图6

三、用特质泡泡液与特质铜丝圈让液膜更大更持久

在选修3-3第九章第2节有一个演示肥皂膜表面张力的实验，即用烧热的针刺破棉线某一侧的薄膜，观察薄膜和棉线发生的变化。笔者在教学实践中发现普通的铁丝圈拉出水面形成的液膜不仅体积小，且很快就会挥发破裂，难以让学生深刻观察与体验，为了使学生更真切地感受到肥皂膜体现出的表面张力做了如下改进。

笔者受到玩具泡泡枪和超大型肥皂泡表演的启发，经过网络查询和多次实验，终于发现了比较适合表面张力演示的特制溶液配制方法。

材料准备：特制泡泡液(由洗洁精、甘油、清水配制，具体配制比例为3:1:6；洗洁精的作用是让水更有黏滞性不容易破裂，甘油可以让水的挥发明显变慢使得液膜能维持较长时间)，如图7所示制作配套的铜丝圈(采用直径为2.0 mm的铜丝，弯折成一个直径达30 cm的铜圈，并用常见白纱线紧密地缠绕在铜丝上，白纱线可以吸附足够的特制溶液并及时补充到液膜上)，盛特制泡泡液的容器。

图7

操作方法：用上述铜丝圈浸没于特制泡泡液后取出，液膜附着于铜圈内侧，形成的直径达30 cm的液体膜，两根细线在液膜内呈松弛状态。用粉笔尖轻触两线中间液膜，液膜随即破裂，两侧液膜收缩，两线呈绷紧状态，且此状态能维持1分钟以上。本演示能形象地说明液体表面由于张力而有收缩趋势，而且用两根细线来演示能更好地帮助学生理解表面张力的方向。实验操作如图8所示。

图8

在操作中要注意的是，为什么要用粉笔尖轻触两线中间液膜？这是因为该实验要求捅破内侧液膜而不破坏另两侧液膜，若用手捅，液膜中细线会吸附在手指上且手指太大难于操作，而一些资料上采用烧红的针尖来捅破液膜效果虽好，但操作烦琐。笔者实验发现采用粉笔效果非常好。因为粉笔的吸水能力强，轻轻一触，液膜就会破裂，且对细线另两侧的液膜几乎无影响。

四、和表面张力来场趣味拔河比赛

除了让学生清晰观察表面张力，我们还有必要让学生来趣味体验一下表面张力，这样学生对此的印象就更加深刻。笔者设计了实验“和表面张力来拔河”，效果显著。

材料准备：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个(也是用以上规格铜丝弯折而成)，铜丝制作的有滑动杆的支架并在滑动杆中间系上一段细线(如图9所示)。

图9

操作方法：拉住细线，让滑动杆处于矩形框中间附近位置，然后整体放入上例所配制的特制泡泡溶液，放入再拿出可见到矩形液膜。比赛开始，当松开拉住滑动杆的细线，滑动杆马上被液膜拉到最右边！稍用力拉细线，可把滑动杆又拉到左边再次形成矩形液膜。由于采用特别配制的溶液，以上拉锯战可重复多次后液膜才会挥发破裂。这个小实验不仅趣味盎然，还能把液膜由于张力而要收缩的性质演绎到极致。

五、结束语

文中5个创新实验或者由书本实验改进而来，或者将实验现象进行放大，或者将图片进行实验动态模拟展现，或者设计趣味实验增加课堂活力和“亲和力”。本文设计的5个创新实验，均能获得明显而又富有震撼力的实验现象和效果，很好地演示和说明了表面张力的特点与规律，是通过自制教具来更好地组织和设计高中物理实验教学的有益尝试。