1. 3M科学总动员@家庭实验 –水滴圆顶
水滴圆顶

是什么影响了水滴的表面张力?

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关键概念

  •  化学

  • 凝聚

  • 附着力

  • 表面张力


  • 介绍

    你可能已经注意到,水滴经常会寻找其他水滴,这些水滴变得越来越大,就像窗户上的雨水一样。或者,也许你已经注意到小虫子能够在水上站立。他们是如何做到的?这都与水的表面张力有关。在今天的实验中,我们将探究这是怎样强大的一种力量。

  • 背景

    表面张力可以解释为什么小昆虫可以在水上行走,以及为什么水滴倾向于形成球形。这一切都与水分子粘附在其他水分子上的方式有关。

    一个水分子由一个氧原子和两个氢原子构成。这些原子通过共用电子对连接。由于将氢原子与氧原子连接起来的这种力的缘故,水分子的一侧倾向于多一些正电性,而另一侧则倾向于多一些负电性。这导致一个分子的负电性一侧能够吸引另一个分子的负电性一侧。因此,水分子将自身推拉成一定的排列。这种平衡是所有正电性和负电性在总体上相互达到平衡。在水中,这些力均等地朝各个方向拉。但是从水的表面上看,情况则有所不同。在水的边缘,水倾向于沿着表面排列,以使表面上的分子被拉向其余的水分子。这种拉动产生了水分子的一个薄层,它们相互连接在一起,产生了本实验中将看到的表面张力。

  • 步骤

    • 将硬币的一面朝上放在你面前的桌子上。
    • 做一个预测。在硬币的一面最多能滴多少滴水而不会流到硬币的外面来?
    • 试试看。使用滴管将水小心地一次一滴地滴在硬币的一面上。确保记住你滴下了多少滴水。是比你预期的多还是少?
    • 再试一次。将你的硬币表面进行干燥,然后再重复作一次。你认为这一次的滴数会增加呢还是减少呢,还是大致相同?
  • 观察与结果

    是什么使我们能在硬币上获得这么大的一个水形成的圆顶呢?原因就是由于水的表面张力很高。发生这种情况是因为水分子喜欢粘在一起。此属性称为内聚力。水还喜欢粘其他东西,例如硬币。该性质称为粘附力。是什么导致水圆顶最终塌陷?答案是重力!在实验过程中,重力在施加拉力,试图将水面弄平并将其拉到桌子上。当水的重量变得太大时,重力会成功地使水圆顶塌陷。这意味着拉在水面上的重力大于将水拉在一起的内聚力。这可以帮助我们理解为什么水虫能够在水面上站立。向下拉动虫子的重力小于水分子粘在一起的内聚力,因此虫子可以站立在水上而不会击溃水的表面张力。

  • 清理

    完成后请务必进行清理。将液体倒回水槽中,然后冲入下水道。清洗后,将工具放回原来的柜子或抽屉中。

  • 更多探索

    有很多方法可以扩展此实验并更好地了解表面张力。你是否认为所有液体的表面张力都相同?你可以尝试用牛奶、橙汁或植物油作实验来看看会发生什么情况?你得到的结果相同吗?如果你在水中混入了东西怎么办,这会改变水的表面张力吗?尝试在水中添加肥皂或盐,看看是否会影响到实验的结果。


    • 水温重要吗?用冷水和热水再次重复进行试验。
    • 将少量肥皂轻轻混入水中会发生什么样的情况呢?
    • 液体物质的类型是否对实验结果也有重大影响?请尝试使用其他不同的液体,例如油、牛奶或果汁。
    • 你还可以尝试针对其他哪些变量开展实验?

    请记住,你一次只能改变一个变量,这样你就可以更好地了解导致结果发生改变的原因。

  • 安全第一和成年人监督

    • 认真按照实验说明进行操作。
    • 在每个实验中,应当由监护人提供协助。
    • 虽然在家进行科学实验是学习动手科学的好方法,但请注意,有些实验可能要求参与者采取额外的安全预防措施,否则,有可能会出问题。
    • 针对可能有害的材料或锋利的物体,大人应当给予处理或协助处理。
    • 在进行任何实验之前,大人应了解这个实验,确保学生年龄适合参与每项活动。

科学知识教学大纲

这项实验之所以被“科学总动员之家庭实验”选中,是因为力学是重要的科学知识。其在多个科学或工程学科中都非常重要。

物理科学1:物质及其相互作用

一阶段

  • 1.存在不同种类的物质,并且可以通过可观察到的物质的特性来进行描述。

二阶段

  • 1.可以将任何类型的物质分割成为极小的肉眼看不到的粒子,但即使看不到,但这些物质仍然存在,并且可以通过其他方式检测到。

三阶段

  • 1.气体和液体是由相互移动的分子或惰性原子构成的。
  • 2.在液体中,分子不断地与彼此接触。

四阶段

  • 1.每个原子都有一个带电的子结构,该子结构由原子核组成,原子核由质子和中子构成,原子核的外部被电子包围。
  • 2.物质在大尺度上的结构和相互作用是由原子内部和原子之间的电作用力所决定的。

物理科学2:运动和稳定性:力和相互作用

一阶段

  • 1.对于物体的推力和拉力可能具有不同的强度和不同的方向。
  • 2.推或拉物体可以改变其运动的速度或方向,也可以使之运动或使之停止。

二阶段

  • 1.每种力作用在一个特定物体上,既具有强度又具有方向。静止的物体通常会受到多个作用力,但它们加在一起会使物体所受到的合力为零。合力不为零时会导致物体的速度或运动方向发生变化。

三阶段

  • 1.对于任何一对相互作用的物体,第一物体施加在第二物体上的力的大小等于第二物体施加在第一物体上的力的大小,但方向相反。

四阶段

  • 1.牛顿第二定律可以准确预测宏观物体运动的变化。

一阶段

  • 1.当物体间发生接触或发生相互碰撞时,它们会相互推动并改变运动的状态。

二阶段

  • 1.接触的物体之间会相互施加作用力。
  • 2.靠近地球表面的物体,会受到地球的引力作用,将物体拉向地球中心。

三阶段

  • 1.引力总是吸引的。任何两个质量之间有一个引力,但它非常小,除非一个或两个物体有大质量。

四阶段

  • 1.原子尺度电荷之间的吸引和排斥解释了物质的结构、性质和变换,以及物质物体之间的接触力。

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