水往高处走

黄萍

南京市鼓楼实验小学科学教师，硕士，毕业于上海大学；从教期间，获得鼓楼区小学科学命题大赛一等奖、鼓楼区作业设计一等奖等，指导学生参加江苏省中小学生金钥匙科技竞赛多次获奖。

在苏教版科学教材三年级下册，我们学了《纸》这一课，知道不同类型的纸吸水能力不同。为了探究牛皮纸、宣纸、报纸等纸的吸水能力，我们将其折叠成大小、厚度、高度相同的纸条后，将一端竖直地放进盛水的杯中，观察到水沿着纸张慢慢往上升。我们可以通过水上升的高度，判断纸张的吸水能力。

水往高处走的现象也叫毛细现象，这到底是什么原因呢？我们一起来探究一下吧！

神奇的力——表面张力

同学们有没有发现，在夏天的清晨，树叶上的露珠都是球形的；将水滴到桌面上，水的形状也是球形的；忘记拧紧水龙头，水滴的形状也是球形的；不小心打碎水银温度计，水银滴落在地上也呈球形。通过仔细观察，我们还会发现：一些轻巧的小昆虫在水面上行走自如；倒水的时候，有时水面高于杯口却始终没有漫出来……这些生活中常见的现象都蕴藏着同一个科学原理——液体的表面张力。

世界是物质的，物质由大量分子组成。例如，水由水分子组成，氧气由氧分子组成。荷兰物理学家范德华在1873 年提出分子与分子之间存在相互作用力，即吸引力和排斥力。例如，一支粉笔有一定的形状和体积，而不是“一盘散沙”；两滴水靠近后，会合成一滴水……这些现象都证明了分子间吸引力的存在。使劲压一个气球，到一定程度后，气球难以被压缩，也证明了分子间斥力的存在。分子间的距离越小，吸引力就越大。

水中含有大量的水分子，由于水分子之间相互吸引，因此每个水分子就像小人一样彼此拉着手。当一个水分子往前运动时，在一定距离内就会拉着另一个水分子一起往前。对于一滴水而言，水表面与空气接触的水分子被内部的水分子拉着。在一定范围内，这个力量一直存在，这就是表面张力。另外，对于体积一定的物体而言，球形的表面积最小，在没有外力作用下的水分子朝着缩小表面积的方向相互靠拢，就形成了球形。装满水的水杯，从侧面看，水面呈现弧形，也是缘于此。

看到这里，你已经知道为什么纸张中的水会一起往前“走”了吧。因为水分子相互拉着彼此呢！你是不是还在思考：为什么低处的水会往高处走？是什么力量拉动了水表面的水分子？

密度决定液面形状

为了解决这个疑惑，我们首先来仔细观察装水的试管中液面的形状——是凹形的。液面的形状是由液体的表面张力决定的：密度比水小（如酒精）或等于水的液体在试管中会成凹液面，而密度比水大（如水銀）的液体在试管中会成凸液面。这是因为水和玻璃间也有分子间作用力，水分子间的拉力小于水与玻璃之间的拉力，所以水与玻璃交界处，水会被玻璃拉上去，呈凹状。如果液面是弯曲的，它就有一种变平的趋势。因此，凹液面对下面的液体施以拉力，凸液面对下面的液体施以压力。“水往高处走”的现象中，最原始的向上“走”的动力就来自液面表层分子的拉力。

万有引力参与其中

有些同学可能又有疑惑了：试管中的水没有一直上升呀？这就要讲到一个伟大的物理学家——牛顿。相传牛顿在苹果树下看书，被苹果砸中，发现了万有引力定律。万有引力定律指出任何两个物体之间都存在着吸引力，吸引力的大小与两个物体的质量和物体之间的距离有关：物体间的距离一定时，两个物体的质量越大，吸引力越大；物体的质量一定时，物体间距离越大，吸引力越小。

由于地球的质量很大，并且地球与地球上的物体距离十分接近，因此地球会给地球表面所有的物体施加一个十分强大的吸引力（一个50千克的人站在地面上受到的地球引力大约有500牛顿），地球的引力方向为竖直向下。所以，我们不管怎么用力向上跳，都会落到地面。

试管中的水也受到地球对它向下的吸引力，水越多，竖直向下的吸引力就越大。我们一起简单分析管内液体的受力情况：当向上的拉力小于管内液体受到的吸引力时，管内的液体不会上升；当向上的拉力大于管内液体受到的吸引力时，管内的液体上升，直到拉力跟管内液体所受的吸引力相等时，管内的液体停止上升，达到平衡。

所以，我们通常在一些十分细小的管子（也叫毛细管）中才可以看到“水往高处走”的现象，因为在细小的管子中，液体质量小，对应受到的地球引力也小。像医院采血用到的毛细管采血针，直径仅仅零点几毫米。这也很好地解释了为什么将尺子紧贴杯壁，也可以出现“水往高处走”的现象。因为当尺子与杯壁之间的缝隙很小时，就可以视作毛细管。

纸张中的毛细管

通过上文的解释，我们知道了毛细现象的产生需要十分狭小的管道。那纸张中的“管道”在哪里呢？造纸的原材料主要来自森林里的树木和芦苇草等，原料中含有纤维素、半纤维素、木素三大主要成分。我们常用的纸由树木的纤维制成，纤维之间的缝隙十分小，因此在纸张内部形成了无数个细小的毛细管。当纸张和水接触后，水通过这些细小的缝隙，在表面张力的作用下，顺利浸润了上方的纸张。

同学们，学到这里，你们知道“水逆流而上”的奥秘了吗？生活中，很多神奇的现象都蕴藏着满满的科学知识，平时要多留心、多发现、多思考，才会有更多的收获哟！

（责任编辑：陆艳）