书城科普读物动手做实验丛书--热学实验改进设计实践
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第2章 固体、液体实验的操作与改进(2)

由于水对表层附有油脂层的硬币是不浸润的,塑料瓶盖(或除去油脂层的硬币)是浸润的,所以在水面上放置一个漂浮的硬币和一个漂浮的塑料瓶盖,当它们之间的距离较近时,在水面上的情形如图6所示。硬币和塑料瓶盖之间的这部分水A″,其表面近乎呈三次抛物面(y=ax3)形。易发现它和硬币所接触的部分向硬币一侧靠近,水表面张力在水平方向上的分量变小,在硬币的左测,水面偏离硬币较大,表面张力沿水平方向上的分量较大,硬币受力不再平衡,合力在水平方向上,指向左方;塑料瓶盖左侧所接触的水面,向塑料瓶盖一侧靠近,水表面张力在水平方向上的分量随之变小;在塑料瓶盖右侧,水面偏离瓶盖较大,水表面张力在水平方向上分量较大。塑料瓶盖所受水表面张力的合力在水平方向上,指向右(除去油脂层的硬币受力情况跟塑料瓶盖相同)。故能观察到硬币跟塑料瓶盖(或除去表层上油脂层的硬币)相互“排斥”的现象。

综上所述可知:(1)浮游在液面上的物体相互“吸引”或相互“排斥”,只取决于液体和物体周界相接触的液面形状,而与物体本身的材料无直接关系;(2)两物体间相互“吸引”或“排斥”是两物体彼此同时都受到在水平方向上不为零的液体表面张力作用的结果。

对液膜收缩演示实验的改进

在高等农业、医药院校、中专和普通高中的物理课本中,讲解“液体的表面张力”时,都以液膜收缩演示实验作为重要的基础。因此,作好液膜收缩演示实验,是教学中讲清“液体表面张力”这个概念的关键,江苏淮阴农业学校赵廷璧老师在物理教学中,对液膜收缩演示实验作了些改进,提高了教学效果。

首先介绍一下改进后的演示器具,如图7所示。1为金属框,由直径为1毫米的铜丝弯焊而成。圆框直径为6厘米,框的手柄长6厘米。2为纯涤纶缝纫线,长约20厘米,一端系在圆框上。

在距固定端3厘米处结一线圈,其周长约6厘米,另一端为自由端。3为用低泡洗衣粉加开水搅拌而成的溶液(体积比为1∶10)制成的液膜。4为钢针,在距缝被钢针针尖一厘米处开始用卫生纸条裹捻成针柄而制成;纸柄直径为2~3毫米。

操作过程:静放深液,待冷却到室温、无泡沫后,手拿框架手柄和线的自由端,并把线拉直和手柄方向相同。把圆框竖直浸入溶液中,然后再反向从溶液中提出。液膜先水平放置,并用针尖拔开线圈。接着用针纸柄刺破线圈中的液膜(一触就破),即成圆形,如图8所示。成形后,竖起来给学生观看约20秒左右。再用金属丝框再次制膜,并用针纸柄刺破线右边的液膜。线在左边液膜作用下,收缩成圆弧形,如图9所示。右手拉着线的自由端,逐渐放线,圆弧半径逐渐变小,缩向边框,直到到达边框为止。学生可以完全看清液膜的收缩过程,时间长达30秒左右。

改进后的实验,用纸柄刺膜,一戳就破,减少了操作时间。这是因为液膜用针纸柄刺戳时,由于卫生纸极易吸水,使接触处液膜水分很快被吸收,溶液膜浓度剧增,表面张力系数剧减所造成。

所用纯涤纶缝纫线极细、轻质、吸水性小,重力对其作用也很小,很容易成圆形。

最大气泡压力法测定溶液表面张力的改进

最大气泡压力法测定溶液表面张力时气泡的增大速度不易控制,因此很难在气泡半径等于毛细管半径时及时读准压差△h,造成较大的实验误差。

采用医用输液瓶代替抽气机可取得好效果。华中工学院汉口分院谷里鹏老师设计的装置如图10所示。抽气的针头和排水的针头细一点好。用输液管上的夹子可控制流量,还可以改变排水针头的高低位置来更缓慢地调节流量。

这样可以有效地控制抽真空速度,为读准△h创造了条件。

最大气泡压力法测量表面张力装置

倒U形弯是为了防止输液瓶操作不当时回一二滴水设置的。也可用橡皮管打个圈再联接在玻璃管上。

弯管中毛细现象的分析

内径均匀且相同的两根细玻璃管,一为直管,一为弯管。当两管插入水中时,由于毛细现象的作用,水沿直管上升高度为h。如果弯管的顶点低于h,那么①水能沿弯管上升并通过弯曲部分吗?

我们知道,水沿直管上升,表面层的表面张力的合力方向是向上的。当此合力等于水柱重量时,水停止上升,水柱高度保持在h处。

有人以为,对于弯管,水上升到转变处时,液面凹部方向不再竖直向上,表面层产生的表面张力的合力与竖直方向成夹角,如图12所示。所以向上牵引液体的作用力变小,当等于液重时,液体沿弯管不再上升,即不能通过弯管顶部的弯曲部分。

其实,这是一种误解。江苏江阴县中学徐汉屏老师从压强差的角度作分析:

由于弯月面的形成,表面张力使弯曲液面内外产生了一个压强差,即所谓“附加压强”。对于凹液面,液体内部压强小于液体外部压强,附加压强为负值;反之,对于凸液面,液体内部压强大于液体外部压强,附加压强为正值。在图11所示的直管中,由于P0+Ps+ρgh=P0(P0为大气压强,ρ为水的密度,h为管中液面高度),所以附加压强Ps=-ρgh。在弯管中,当水升到图12所示位置时,由于弯管与直管的内径相同,弯月面的半径不变,所以仍有Ps=-ρgh。这时,弯管外水面处的压强P外=P0,弯管内同一水平面上的压强P内=P0+Ps+ρgh′=P0-ρgh+ρgh′(h′为此时弯管内水面的高度)。由于h′<h,所以P内<P0,即P内<P外。这样,管内液体仍将上升而流过顶端的弯曲部分。

必须指出的是:由于液体具有流动性,所以在受到作用力的时候,就会出现跟固体不同的现象。液体能够把它受到的压强向各个方向传递,遵循帕斯卡定律。我们在讨论毛细现象时,必须根据弯月面内外压强差(即附加压强)来分析。有人所以会得到弯管中液体在转弯处不再移动的错误结论,就在于忽视了液体的上述特点而将液体完全等同于固体处理了。至于对直管中的毛细现象能得到正确结论,则完全是偶合。

②水能从弯管另一端出口处流出吗?

水沿弯管上升并通过弯曲部分后,只要管的另一端出口不低于管外水面超过h,水就只能流到管口而不再流动。即是说,水不能从弯管另一端出口处流出。

这一结论不难从能量守恒定律的角度明显得出。如果水能流出,我们就可以利用水流冲动机械,成为不需供给能量的永动机。这是违背能量守恒定律的,因此是不可能的。

那么,究竟是什么原因使水停留在弯管的另一端出口处而不至于流出呢?那还是附加压强的作用。

设弯管口到水面的高为△h,弯管口弯月面的附加压强为Ps′,当Ps′=-ρg△h时,就可使P内=P0+Ps′+ρg△h=P0=P外,从而水就不会流出。

弯管口弯月形水面的凹凸情况如何?

由于弯管口与管外液面的相对位置不同,弯管口弯月形水面的凹凸情况也是不同的。

为满足Ps′=-ρg△h这一要求,则:

i当△h>0(显然,由于弯管的顶点低于h,这时必有△h<h),即弯管口高于管外液面时,必须使Ps′<0,因此这时管口弯月面是向内凹的(如图13中的甲);图13ii当△h=0,即弯管口与管外液面平齐时,必须使Ps′=0,这时管口液面为平面(如图13中的乙);iii当-h<△h<0,即弯管口低于管外液面但不超过h时,必须使Ps′>0,这时管口弯月面是向外凸的(如图13中的丙)。

当然,当△h<-h,即弯管口低于管外流面超过h时,将有Ps′<-ρg△h,从而P内<P外,水将从弯管口向下流出。

毛细现象实验的改进

关于毛细现象的实验,浸润液体在毛细管中上升的现象容易看到,但不浸润液体在毛细管中下降的现象就不易看到,成都市青白江区红卫中学杨忠稷老师自制了一个毛细现象演示器,能较好地解决这个问题。具体来说,我们是用内径很细的毛细管(如果用温度计管则也可看到液面下降一厘米以上)通过制作加工得到如下的改进。

用无色透明的有机板两块,规格各是8×3×03厘米3,每块板上加工圆弧形的槽三道,如图14(a)。取长约10厘米内径不同的毛细管三支,夹在两块有机板之间,再加上两端和底,用粘结剂粘成一个盒子如图14(b)。这样,毛细管和盒子形成一个密封的连通器。同样的装置做两个,安装在同一个底座上如图14(c)和图14(d)所示,一个装浸润液体,一个装不浸润液体。这样,就能明显地看到两种不同的现象。

观察不浸润毛细现象的方法

毛细现象是浸润液体在细管内升高和不浸润液体在细管内降低的现象。一般情况下,要观察浸润液体在细管内升高的现象比较容易,只要把一根玻璃管或一根透明的细塑料管插入水中即可观察到;但要观察不浸润液体在细管内降低的现象时,通常采用的方法是把一根细玻璃管插入水银中进行观察。采用此方法,不但不能明显观察到管内水银面下降的高度,而且在没有水银的情况下就无法作此实验了。贵州镇远师范杨昌文老师介绍了一种用水来代替水银观察此现象的方法。采用此方法,可以明显地观察到细管内水面降低的高度。

制作蜡纸管找一根玻璃管和少量未使用过的刻字用的铁笔蜡纸(以简称蜡纸),根据玻璃管的长短和内径大小,把蜡纸剪成长与玻璃管的长差不多,宽比玻璃管内圆周长约大01-02cm的长方形。再找一根外径比玻璃管内径小的铁丝,然后把剪好的蜡纸沿长边圈在铁丝上,把它放入玻璃管内,如图15所示。松动铁丝,使蜡纸能贴紧在玻璃管内壁上,把铁丝取出,这就制成了蜡纸管。

实验方法

用烧杯(或透明的小瓶)盛上水,把做好的蜡纸管慢慢地插入水中。由于水对于铁笔蜡纸是不浸润液体,当从烧杯外侧平视时,即可以看到蜡纸管内的水面比烧杯里的水面低。仔细观察(或由管口向下观察),还可以看到蜡纸管内的水面是成凸的弯月面。如果蜡纸管越细,其中水面下降得越低。