两片玻璃片中间有水时粘合力的测量与探究

李一帆

【摘要】两块玻璃之间夹有一层薄薄的水并紧贴在一起，则需要用较大的力才能将两者分离。本文通过控制变量法从用水量，液体种类，玻璃片表面打蜡处理，改变外界气压大小等多方面进行了实验测量和探究，结合大气压力与水的表面张力两方面，理论分析了夹层有水的玻璃的受力情况，得出了拉力大小在相同面积下主要决定于液体的表面张力系数，液体与物体表面的浸润程度，而与大气压力无关的结论。

【关键词】粘合力  大气压力  表面张力  控制变量法

【中图分类号】G63 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）13-0174-02

一、背景

日常生活中，如果两片玻璃片中间存在着水的时候，很难将玻璃片分开，关于这个现象的解释，有诸如大气压力，表面张力等等说法[1][2]，但大多数限于理论分析，缺乏必要的实验判定。在本文中，我合理设计了实验方法测量了粘合力的大小，并通过控制变量法研究了用水量、液体种类、玻璃片表面打蜡处理、改变外界气压对于粘合力大小的影响，从而在实验上证实了粘合力和液体以及玻璃片表面有关，而和大气压无关的结论，因此我认为粘合力和表面张力相关和大气压力无关。

二、实验器材

载玻片（玻璃片）两片（使用电子称得到每片10g，使用直尺得到长和宽分别为7.6cm×2.5cm），水，醋，酱油，牛奶，酒精，胶头滴管，真空罩，蜡，电子秤，砝码（使用电子称得到每个约10g），橡皮，纸巾，直尺。

三、粘合力的测量方法

首先使用胶头滴管往下层载玻片中央滴加一定量的水，将上层载玻片与下层载玻片相互垂直，一段触碰下层载玻片边缘，另一端以约30°角缓慢盖在下层载玻片上，并注意防止气泡产生。待水填满两载玻片重合的区域（正方形，大小为2.5cm×2.5cm），用手按压上方载玻片，使载玻片尽可能地相互贴紧，并同时用纸巾轻轻吸干夹层以外的水。将上层载玻片两端架在两个相同的橡皮上，下层玻璃片由于粘合力可以悬空静止而不落下。此时在下层玻璃片的两端上同时加相同质量的砝码，直至玻璃片落下，记录玻璃片落下前后的砝码质量。粘合力大于下层玻璃片落下前砝码加上下层玻璃片的总重力，小于下层玻璃片落下后砝码和下层玻璃片的总重力，重力加速度取9.8kg·m/s2。

四、探究影响粘合力的因素

1.用水量

【实验步骤】

在本实验中，我通过测量两个玻璃片的质量m1以及测量加水后两个玻璃片的质量m2，得到用水量m=m2-m1，按照第三部分陈述的方法测量粘合力，得到粘合力随着用水量m的变化规律。

【实验结果】

用水量约为0.01g时，實验测得加20个砝码的时候下层载玻片仍未落下，加22个砝码时，下层载玻片落下，因此粘合力大小对应质量介于210g-230g之间的重力，也即粘合力介于2.06N-2.25N之间。同样的方法测得用水量约为0.02g时，粘合力大小介于0.29N-0.49N之间，用水量约为0.03g时，粘合力大小介于0.1N-0.29N之间。

2.玻璃片表面打蜡

【实验步骤】

将两片载玻片表面都打蜡处理或者只将一片载玻片表面打蜡处理，使用很少量的水粘合，测量力的大小。

【实验结果】

只要将玻璃片打蜡处理，无论如何减少用水量，粘合力都不足以使得质量为10g的玻璃片悬空，也即粘合力在载玻片表面打蜡处理后显著下降，小于0.1N。

3.液体种类

【实验步骤】

使用不同的液体种类（水，醋，酱油，牛奶，酒精），尽量少的液体，测量能够达到的最大粘合力，实验中对于同一个液体多次测量，以减小实验误差。

【实验结果】

液体种类不同时，所能够达到的最大粘合力也不相同，使用水粘合两个载玻片时，最大能够加28个砝码不落下，加30个砝码载玻片脱落，因此粘合力最大能够达到2.84N-3.04N;使用醋粘合两个载玻片时，粘合力最大能够达到2.25N-2.45N;使用酱油或者牛奶粘合两个载玻片时，粘合力最大都能够达到2.84N-3.04N;使用酒精粘合两个载玻片时，粘合力最大能够达到2.06N-2.25N。

4.外界气压

【实验步骤】

将两个载玻片用约0.01g的水粘合后，在大气环境下，实验测得加20个砝码的时候下层载玻片仍未落下，加22个砝码时，下层载玻片落下。所以在实验过程中，加20个砝码，同时将整个装置放置在真空罩里并开始抽真空，使用真空计记录气压，并观察载玻片是否脱落。

【实验结果】

实验发现直到气压一直抽到2kPa时，下层载玻片仍未脱落。

五、结果分析

通过对四个因素的探究，尤其是通过抽真空的方法，我没有发现外界大气压影响粘合力的现象。如果按照文献[1]中所提出的是大气压力造成的粘合力，那么在抽真空的实验过程中，气压从101kPa减小为2kPa时，粘合力应该减小为原来的■倍，我们知道在大气环境中，真实实验过程中的粘合力小于2.25N，那么在2kPa时，粘合力应该小于0.045N，这意味着粘合力不能粘合4.5g的质量，这和实验结果完全不同，所以我从实验上证明了大气压力不是产生粘合力的原因，因此文献[1]中的说法是有错误的。同时载玻片表面处理以及液体种类的改变都可以改变粘合力的大小，这也说明粘合力的大小和液体的性质以及玻璃片的表面会有一定的关系，这也是使用大气压力来解释粘合力无法解释的结果。

网上还有说法，粘合力来源于直接的表面张力4？滓L，我们可以使用室温下（20℃）水的表面张力系数？滓=7.28×10-2N/m，计算得到4？滓L≈0.007N，这个力相对于我们实验中测到的结果来说太小，根本无法解释实验结果，因此直接的表面张力也不会是粘合力的主要来源。

我的实验结果更加倾向于认为文献[2]中的结论是正确的。文献[2]认为造成粘合力的原因是夹层液体表面向内弯曲导致的液体内外的拉普拉斯压力，在我们的情形中为■L■，其中？滓为表面张力系数，R为夹层中水的侧面表面如果处理为圆柱侧面时所对应的圆柱的横截面半径，L=2.5cm是载玻片重合的面积，也即水充满的区域。按照这个公式，当用水量增加时，夹层中的水的侧面会变得平直，R趋于无穷大，因此粘合力在减小，将载玻片表面打蜡时，由于水在打蜡的载玻片上不浸润，水的侧面向外弯曲，此时水的内部压强大于大气压，因此压力差无法提供正的粘合力，因此在实验上出现无法粘合的现象。改变液体种类，？滓会有所改变，因此粘合力也在发生改变。改变外界气压，并不会影响液体内外的拉普拉斯压力，因此在我的实验过程中，下层载玻片一直未脱落。

六、结论

通过实验测量和对实验结果的分析，我们确认了两片玻璃片中间有水时粘合力的来源是夹层液体表面向内弯曲导致的拉普拉斯压力，而非大气压力或者直接的表面张力。由于拉普拉斯压力本身是一个表面张力造成的现象，可以认为粘合现象是一个表面张力现象，但是不应该简单地认为就是直接的表面张力造成的粘合力。

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（9）：60.

[2]苏鑫杨，林方.分离夹层有水玻璃所需较大拉力的产生原理与影响因素[J].应用物理， 2017（4）：85-91.