液体的表面张力实验的改进与创新

摘要：在自然界和日常生活中，液体表面张力现象比比皆是，但表面张力的成因是抽象的，不像弹力、摩擦力那样容易被学生感受和认知。在本节实际教学中，该文同时进行了实验创新和思维创新，将演示实验做成了分组实验，做到化静态为动态，引导学生自制教具反哺教学，将短暂现象延时且可重复演示，不断提升了学生物理学科核心素养。

关键词：表面张力；自制学具；实验创新

1概述

液体的表面张力是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》选择性必修第三册模块《液体》的内容。课程标准要求为：观察液体的表面张力现象；了解表面张力产生的原因；知道毛细现象。分析生活中与表面张力相关的实例，活动建议：设计实验，比较肥皂水和清水的表面张力。《普通高中物理课程标准（2017年版）》对课程标准的解读为：要求学生通过日常现象和实验观察液体的表面张力现象，并且能够应用分子动理论解释液体表面张力产生的原因。学生通过对实验现象进行观察和思考，尝试解释实验现象。例如，把一条细棉线系在铁丝环上，使环上布满肥皂水的薄膜，这时膜上的棉线圈是松弛的，用热针刺破棉线圈里的肥皂膜，棉线圈外的薄膜就会收缩，使棉线圈张紧成圆形。又如，让学生在装满水的杯子内轻轻放入一些小硬币，观察杯边水面形状，说明现象产生的原因。由于表面张力的问题与日常生活联系紧密，所以要求学生交流日常生活中所见到的表面张力现象，并讨论、解释这些现象。例如，为什么叶面上的露珠呈球形？为什么硬币能够浮在水面上？为什么雨天使用布制的伞，虽然伞面能看到纱线之间的缝隙，但却不漏水。

教材通过生活实例引入表面张力，引发学生思考。在实际教学中要展示大量真实情境、演示实验和分组实验，让学生认识表面张力，形成感性认识，从而让学生感知表面张力的存在。学生已经了解分子间作用力特点，当分子间距比较大时，分子间作用力表现为吸引力，从微观角度解释表面张力的产生机理。但学生对液体表面层不了解，知识缺乏，这部分知识教师要向学生讲解，为学生用分子间作用力解释表面张力奠定知识基础。

2情境创设

《普通高中教科书物理选择性必修第三册》第二章第5节的开篇问题：在杯子中盛满清水，将曲别针一枚一枚依次放入杯中，比一比看谁放入的曲别针数量最多，而杯中的水不会溢出［1］。你能否对这种现象做出解释？另有一幅“浮在水表面的水黾”［1］的图片，形象地展现了液体的表面张力。

根据以上这些实验和现象，笔者在实际教学中进行了完善和创新。准备100枚回形针、胶头滴管和一个装了水的烧杯进行实验。提问：“回形针能不能漂浮在水面上？”学生答：“不能。”“让我们来试一试，将回形针直接投入水中，看到回形针下沉了，这是为什么呢？”学生回答：“因为回形针的密度比水大。”“那有没有办法能够让回形针漂浮在水面呢？”学生回答：“让水的密度变大一点。”笔者再演示不对水做任何的改变，将另一枚回形针轻轻地平放在水的表面释放，我们看到回形针浮在了水面上，并且观察到水的表面是凹陷的，水被回形针压弯了（如图1所示），也没有让回形针沉下去，这是为什么呢？我们先暂时搁置这个问题，请继续实验。“若将一次性水杯装满水，你猜想该水杯还能容纳回形针吗？”学生答：“不能。”为了找到问题的答案，我们再次动手实验。放一枚回形针，水没有溢出，再加一枚，水仍旧没有溢出，3枚、4枚……学生记录所添加回形针的枚数和杯表面水的形状。实验结果：直到添加到50枚回形针时，水也没有溢出，但观察到水的表面凸起，呈椭球形类似一个凸透镜的样子（如图2所示）。所添加回形针枚数与放入杯中稳定程度有关［2］。对比两个实验：水被压弯了，回形针也没有沉下去；一次性水杯表面呈现一个椭球形，水却不散开流动。上述两个改进实验分别呈现了在表面张力作用下液体表面微微凸起的状态和液体具有一定的韧性的现象。

根据以上实验我们可以进行一个大胆猜想：液体表面可能具有与内部不同的性质。我们再次进行实验探究，按照教材实验：观察肥皂膜和棉线的变化情况。教材提供的演示实验存在的问题：（1）用烧红的针尖刺破液膜，虽然效果不错，但操作起来比较麻烦，分组实验开展起来不太方便；（2）普通铁丝圈拉出的液膜体积小，易挥发，还未来得及戳，就已破裂，观察体验都有一定的不便。

2.1自制皂液膜实验

改进与创新：（1）笔者实验发现，用粉笔代替烧红的针尖，效果非常好。粉笔的吸水性很强，轻轻一触就会造成液膜的破裂，而对另一侧液膜几乎不会造成影响。（2）皂液配制的改变。笔者从玩具泡泡枪和超大肥皂泡表演中获得灵感，找到了更适合演示表面张力的皂液调制方法。材料准备：白糖、洗手液、液体胶、清水。制作的具体步骤：在烧杯容器中倒入半杯水，加入少许白糖，搅拌至全部溶化，然后在溶液中滴入5～8滴液态胶水，再挤入5～8滴洗手液，调匀即可。以上的配置可以让水的挥发速度变慢，而且液膜的黏滞性也比较强，保持比较长的时间也不会出现破裂的情况。（3）铁（铜）丝圈的制作。制作配套的铁（铜）丝圈，用直径2.0mm的铁（铜）丝，弯折成直径20cm的铜圈或20cm×10cm左右的铁（铜）丝矩形框架；然后将白棉线紧密地缠绕在铁（铜）丝上（如图3所示），白棉线的作用是能吸附足够多的皂液并可以不断补充到液膜上，这样可以使液膜存在较长时间；然后用一根细棉线大致沿金属框半径方向打结固定，线长大于半径，呈松弛状态；另外再做一个半径约5cm的棉线圈，置于金属框内部，另一端用细线打结拴在金属框上（如图4所示）。

实操演练：用上述铁（铜）圈浸没于皂液后取出，皂液会在铁（铜）圈内侧形成直径达20cm的液膜，中间的细棉线和中间的棉线圈在液膜内呈松弛状态。用粉笔尖轻触棉线任一侧的液膜或中间棉线圈内液膜，液膜马上被戳破，另一边的液膜或棉线圈外面的液膜收缩，棉线都会呈现紧绷的状态，而且这个状态可以保持1分多钟。

这一实验很好地表明液面因张力作用而呈现收缩的趋势，棉线绷紧的方向就是液面张力的方向。

2.2与表面张力来拔河

为了更好地体现液体的表面具有收缩趋势，笔者制作了“与表面张力来拔河”的实验装置。

改进与创新：制作20cm×10cm左右的铁丝（铜丝）矩形框架1个，打孔的吸管穿过矩形框架作为滑动杆，将矩形框架一分为二，吸管可以在框架上自由地移动。滑动杆两端留适当长度，便于手拖动。

实操演示：将滑动杆放置在接近矩形框架中间的位置，再整体放入上例配制皂液中，取出后可见2个矩形液膜。用粉笔戳破任一侧液膜，滑动杆立刻被留下来的液膜拽到另一侧。

用力将滑动杆拉到中央位置再次释放，滑动杆又被拽到另一侧。采用上述皂液，以上的拔河拉锯战可持续很长时间（如图5所示）。这个小实验妙趣横生，同学们兴致高涨，将液膜因张力而收缩的性质演绎得淋漓尽致。

在本节教学实践中，笔者在实验设计、实验设备、实验过程等方面进行了创新，坚持趣味化、简单化、生活化的原则，创设了一个活泼的问题情境。利用生活中常见物品制作教具和学具，展现了液膜被下压和液膜被凸起时所呈现的表面张力，以及表面张力方向等相应的物理现象。

3情境分离——表面张力

将知识从情境中抽象出来，从感性认识上升到理性认识。针对露珠呈球形、水黾可“浮”在水面上等现象，引导学生“水膜”有向内收缩趋势且紧绷的感性认识，再从微观角度对表面层和液体内部分子受力情况进行分析。为了解决学生对“法向力”和“切向力”的认知矛盾，教师在教学中要引导学生认识到液体分子的动态变化：液体分子对表面层分子的吸引力大于气体分子，合力表现为向下的净吸力，表面层分子有向下运动的趋势，故表面层分子稀薄，分子间产生引力，引力方向和表面层相切，宏观上表现为表面张力。也就是说，表面张力永远和液体表面相切，但由于净吸力的存在，液体表面同时具有向内收缩的趋势。经上述模型分析，学生基本能够应用理论知识解释课堂所有实验现象，对知识的学习从感性认识阶段跨越到了理性认识阶段。

4情境回归与拓展

4.1情境回归

课堂结束前再对开篇的“水黾情境”的现象进行解释，设计阶梯式问题，层层引导学生利用本节课知识作示意图，对“水黾浮在水面上”做出解释。作图关键在于学生能否认识到水黾是不浸润的，从而判断表面张力方向。

4.2情境拓展

太空微重力环境下，表面张力的作用效果更为明显。通过进行天地实验对比，学生能更加全面地认识表面张力和毛细现象。安排学生完成以下地面科普实验后，对太空相应的实验现象进行预测，检测学生对所学知识的理解和迁移能力。

4.2.1实验一：水滴实验

这是最简单的表面张力实验之一，我们只需要一滴水和一张平板玻璃即可。将平板玻璃倾斜，让水滴从玻璃上滑落，我们会发现水滴在滑落的过程中会变成椭圆形，而不是圆形。这是因为水滴表面张力的作用使得水滴在滑落的过程中尽可能地减少表面积，从而形成椭圆形。

4.2.2实验二：水面膜实验

这个实验需要一些特殊的材料，比如说一张细网状的金属片或者一根细细的针。将金属片或者针轻轻地放在水面上，我们会发现它们不会立即沉下去，而是浮在水面上，这是因为水面上的分子间相互作用力比水下的分子间相互作用力要强，从而形成了一个水面膜。这个实验也可以用来演示水面张力的大小，因为我们可以通过改变金属片或者针的形状和大小来观察水面膜的变化。

4.2.3实验三：水滴竞赛实验

这个实验需要两个水滴和一张平板玻璃。将两个水滴放在平板玻璃上，让它们靠得很近，我们会发现它们会互相靠近，最终合并成一个更大的水滴。这是因为两个水滴之间的表面张力比水滴和空气之间的表面张力要强，从而使得它们互相靠近。这个实验也可以用来演示表面张力的大小和液体的流动性质。

4.2.4实验四：肥皂泡实验

这个实验需要一些肥皂水和一个肥皂泡棒，将肥皂泡棒蘸入肥皂水中，然后吹出一个肥皂泡，我们会发现肥皂泡的表面非常光滑，而且可以飘浮在空气中。这是因为肥皂泡的表面张力比空气的表面张力要强，从而使得肥皂泡可以保持稳定的形状。这个实验也可以用来演示表面张力的大小和液体的流动性质。

4.2.5实验五：倒置不漏水的水杯实验

实验器材及制作：透明玻璃杯、铁丝网、玻璃板、清水，用铁丝网封口装有水的透明玻璃杯。实验原理：将倒置的液体表面细化为无数个小的液面，每一个小液面受到小液柱的弹力作用，而铁丝网无法对小液面提供支持力，由于液体的表面张力作用，液体的表面产生了轻微的变化，为小液柱提供竖直向上的弹力，因此倒置的玻璃瓶里的水无法溢出。设计意图：清水不会从没有密封的倒置的玻璃杯溢出，与学生的认知相冲突，这样能够引起学生的兴趣，并探究其形成的原理，这也可以作为实验导入新课的一种方式。具体实验步骤和现象：（1）将一小部分的清水倒进玻璃杯，轻轻地把它倾斜，使得水能够顺着铁丝网自然而然地溢出。（2）将少量的清水倒入玻璃杯中，然后用玻璃板将其封口。（3）迅速倒置玻璃杯。（4）移除玻璃板，水将无法通过铁丝网溢出。生活中的应用：通常风油精瓶的开口偏窄，它就如同上述实验所用的网格那般小，形成的液柱在倒置后由于液体表面张力而不会滴落，这样也有助于降低其蒸发速度。这种现象虽微不足道，却广为人知。

通过这些简单的科普小实验，我们可以更好地理解表面张力的概念和特性，表面张力不仅是一种物理现象，也是一种重要的生物现象。在自然界中，许多生物体都利用表面张力来完成各种各样的生物功能，比如，水生昆虫可以在水面上行走；水鸟可以在水面上滑翔；植物的根系可以通过表面张力吸收水分和养分等。因此，深入研究表面张力的特性和应用，对于我们更好地理解自然界和开发新的科技产品具有重要的意义。

结语

物理实验课为学生提供丰富的感性的素材，通过对实验现象的观察与分析，加深了同学们对物理原理的理解，提高同学们的科学实验能力和科学实验素养，激发了同学们对未知领域的求知与探索热情，这是我们教师最期望看到的结果。

参考文献：

［1］普通高中教科书物理教材选修第三册［M］.北京：人民教育出版社，2021.

［2］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］王佳欣，童大振.情境教学视角下的“液体表面张力与毛细现象”教学设计：基于四次太空授课相关实验的思考［J］.物理教学，2023（7）：1417.

［4］罗钊颖，张军朋.液体表面张力的非常规实验［J］.物理教学探讨，2018（12）：5051.

［5］蔡亮，吕爱华.基于自制液体表面张力教具的实验改进与创新［J］.物理教学，2019（2）：2830.

项目基金：本文为2023年度湖南省教育科学“十四五”规划课题《高中物理实验课程资源的开发和应用研究》阶段性研究成果，课题编号：ND233319

作者简介：谭石泉（1975—），男，汉族，湖南湘潭人，本科，中学高级，研究方向：高中物理教育教学。