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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

物理科学2:运动和稳定性:力和相互作用