运用DIS探究两面镜子难以分开的原因

吴柳燕 张殷

摘 要：关于夹层有水的两面镜子难以分开的原因，学生有不同的想法。本研究通过一系列的探究实验，借助抽气盘、DIS力传感器等装置寻找证据，对不同的观点进行论证，展示了一个抽丝剥茧、逐渐逼近真相的真实探究过程。

关键词：镜子；传感器；DIS

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）11-0068-3

在一面镜子上洒些水，然后把另一面镜子盖上去，发现很难将这两面镜子沿垂直镜面的方向分开（如图1），造成此现象的原因众说纷纭。

1 问题的缘起

在一次探究课上，笔者抛出了这个问题，学生主要的观点有：

观点1：“分子间作用力”。

观点1认为是水分子与镜面玻璃分子之间的引力在起作用，与大气压力无关。并且总是用常见的物理现象——将玻璃板从水面上提起时，需要的拉力比玻璃板的重力大为例来进行比对说明[1]。

观点2：“大气压力”。

观点2认为是大气压把镜子压在一起的，与分子间作用力无关。这种观点认为用力向外分开镜子时，两镜子间的距离被拉大，夹层内的水与镜子的接触面积随之减小。在水表面张力的作用下，两面镜子的夹层之间会形成一些由水与外界隔开的、没有空气的“真空带”，由于大气压非常大，1 cm2面积上的大气压力约为10 N，相当于1 kg物体的重量。此时，分子间的作用力非常小，几乎起不到阻碍两面镜子分开的作用。

观点3：“分子间作用力”与“大气压力”共同作用。

观点3认为夹层有水的两面镜子难以分开的原因既有“分子间的作用力”的影响，也有“大气压力”的影响。这两种原因都存在，但是谁是最主要的影响因素就难以解释清楚了。

接下来，就通过探究实验来说明这三个观点究竟谁对谁错。

2 实验过程

2.1 降低气压的实验

2.1.1 实验过程

（1）两面镜子中间加水合上后，用绳子将它们水平悬挂于抽气盘罩子上，盖上真空罩将抽气盘密封好（如图2）。

（2）将抽气盘与抽气泵连接后，打开抽气泵对抽气盘抽低压，抽气泵参数如表1。

（3）当抽气泵对抽气盘抽低压的时间达到31 s时，下面的镜子由于重力的作用而坠落下来。（如图3）

虽然这个实验用降低气压的方法反证大气压力的作用，但是仍然存在不合理的地方。例如，有学者认为此实验气压下降，水的沸点也会降低，所以在抽气的过程中，两面镜子间的水的蒸发也可能导致两面镜子分离。

为了继续探究夹层有水的两面镜子难以分开的主要原因，本研究设计以下两个定量测量的实验，利用DIS力传感器分别测量拉开两面镜子力的大小与一面镜子拉离水面时力的大小，再将这两个力进行比较，就能明确夹层有水的两面镜子难以分开的主要原因。

2.2 测量镜子拉离水面时力的大小

2.2.1 实验方法

（1）将DIS力传感器接好线并连入电脑，然后打开软件运行界面。

（2）将力传感器水平吊着一面镜子，并对此时的数据进行清零。

（3）手持悬吊镜子的力传感器水平轻轻置于水面上（如图4），按下采集数据的按键进行数据采集。

（4）手持力传感器从水面慢慢地向上提起，直至镜子离开水面，电脑会将力传感器整个向上提起过程的受力情况记录下来。其中，记录的数据中最大值就是水分子与镜面玻璃分子之间相互作用力的最大值。

2.2.2 实验分析

由于手持力传感器将镜子从水面缓慢地向上提起的过程中，镜子上下两表面的压强差可忽略不计。而此次实验，刚开始力传感器水平吊着镜子时，已经将数据进行清零，此做法的目的是直接将镜子重力的影响排除掉。因此，向上提起镜子时，力传感器显示的数据就可近似看为水分子与镜面玻璃分子之间的相互作用力。此实验已排除大气压力与重力对镜子的影响，测量分子间的引力，即水分子和镜面玻璃分子间的引力。

笔者用边长4 cm、厚3 mm、重5.04 g的正方形镜子做实验，镜子面积约为16 cm2。为了保持镜子的水平并方便悬挂在力传感器上，在镜子背面粘有小挂钩。

2.2.3 实验结果

按照实验方法重复做5次实验，记录的数据如表2。

实验结果发现，镜子从水面慢慢向上提起的过程中，力传感器最大读数的平均值约为0.11 N，即水分子和镜面玻璃分子间的引力仅有0.11 N，仅相当于11 g物体重力的大小。

2.3 测量拉开两面镜子力的大小

2.3.1 实验方法

（1）将DIS力传感器接好线，并连入电脑，然后打开运行界面。

（2）力传感器水平悬吊夹层有水的两面镜子，并对此时的数据进行清零，然后按下采集数据的按键进行数据采集。

（3）一只手抓著下面的镜子不动，另一只手将力传感器缓慢竖直往上拉，直至两面镜子分离。电脑会将两面镜子分离过程中力传感器的受力情况记录下来，记录数据中的最大值就是拉开两面镜子需要最大力的大小，也是大气压力和水分子与镜面玻璃分子之间相互作用力二力之和的最大值。

2.3.2 实验分析

此实验刚开始将夹层有水的两面镜子水平吊在力传感器上时，就已经将传感器的数据进行清零，目的是将两面镜子的重力减掉。因此，向上提起镜子时，力传感器显示的数值近似为拉开两面镜子需要的力的大小。

2.3.3 实验结果

按照实验方法重复做5次实验，记录的数据如表3。

通过简单的运算，可以计算出作用于镜子上的大气压力的大小为大气压力和水分子与镜面玻璃分子之间相互作用力二力之和（3.33 N）减去镜子与水面间的相互作用力（0.11 N），即为（3.22 N）。从计算结果可以看出，夹层内有水的两面镜子难以分开的原因既有分子间引力的作用，也有大气压力的作用。但两者相比，起主要作用的是大气压力，而且大气压力的作用效果约为分子间引力的30倍。因此，此实验结果推翻了观点1和观点2，佐证了观点3，并证明了夹层有水的两面镜子难以分开的主要原因是大气压力。

3 回顾和反思

在此探究过程中，学生经历了从争论引出明确的研究问题，分别寻找证据论证自己的观点，并在寻找证据的过程中，使用多种实验装置进行定性乃至半定量的数据采集和分析，通过论证交流最后得到一致的结论。在真实问题解决的过程中，学生不但应用了所学的学科知识，更体会到了科学的本质，这正是亲历探究最具价值之所在。

参考文献：

[1]曾鹏，王伟民.夹层有水玻璃难分开的主要原因不是分子引力[J].物理教师，2014，35（9）：60.

（栏目编辑 张正严）