《水面漂浮物间吸引还是排斥的探究》.doc

水面漂浮物间吸引还是排斥的探究
南京师范大学物理科学与技术学院　刘广

笔者设计了如下实例，让学生体验科学探求的过程，培养学生科学探究能力。
一、初次探究
1．提出问题
在水槽内装水近满，使水面上漂浮两只铝质可乐瓶的瓶盖和两枚5分硬币。用一根细棒分别拨动铝瓶盖和硬币，使它们两两靠近。发现铝瓶盖和硬币之间相互排斥；铝瓶盖与铝瓶盖之间相互吸引；硬币与硬币之间相互吸引。老师问：水面漂浮物之间怎么会出现吸引与排斥的现象呢?
2．猜想与假设
考虑相关因素，学生可能猜想与物体组成材料有关系，还可能猜想与液体对物质表面作用有关系。分析：假设水面漂浮物之间吸引与排斥与物体的组成材料有关系，可以用细线把铝瓶盖与硬币分别悬挂起来，当移动铝瓶盖靠近硬币时，铝瓶盖与硬币之间并不存在在水面上那样的排斥作用。可以推断漂浮物之间吸引或排斥，与物体的组成材料无关。可以初步确定漂浮物间吸引或排斥可能跟液体的表面作用有关，而液体在固体表面附着情况可分为浸润与不浸润，进一步猜想漂浮物之间的吸引或排斥可能与液体在固体表面浸润或不浸润现象有关。
3．制订计划与设计实验
学生可以设计如下实验：定性研究漂浮物吸引或排斥与浸润或不浸润的关系。
（1）分别用细棒滴一小滴水到铝瓶盖与硬币上，观察水是浸润或不浸润的。注意水滴不能太大，如果水滴过大，水的重力影响就会超过表面张力的影响，不浸润现象就会不明显。
（2在水面上漂浮两个浸润的小木块，用细棒拨动小木块互相靠近，观察两个小木块是吸引，还是排斥?
（3）在水面上漂浮两个不浸润的小蜡块，用细棒拨动小蜡块靠近，观察小蜡块之间是吸引还是排斥。
（4）拨动水浸润的小木块分别靠近小蜡块、铝瓶盖、硬币，观察它们是吸引还是排斥。
（5）拨动水不浸润的小蜡块分别靠近铝瓶盖、硬币，观察它们是吸引还是排斥。
4．进行实验与收集证据
按教师的建议，学生分小组进行实验。根据实验结果可以知道对铝瓶盖来说，水是浸润液体；对硬币来说，水是不浸润液体。把实验观察的现象填在表1中。
表1

不浸润
浸润
不浸润

小蜡块
硬币
小木块
铝瓶盖
小蜡块
吸引
吸引
排斥
排斥
硬币
吸引
吸引
排斥
排斥
浸润
小木块
排斥
排斥
吸引
吸引
铝瓶盖
排斥
排斥
吸引
吸引
5．分析与论证
根据表1中的记录，分析可知：浮在水面浸润的物体（小小块、铝瓶盖）与水不浸润的物体（小蜡块、硬币）之间靠近时，相互排斥。同是水浸润的物体（小木块、铝瓶盖）浮在水面上，它们靠近时相互吸引。同是水不浸润的物体（小蜡块、硬币）浮在水面上，它们靠近时相互吸引。
6．评估
实验过程中，发现如下问题：（1）壹角的硬币不能漂浮在水面上，五分的硬币却能漂浮在水面上，原因可能是壹角硬币比较重，水的表面的张力不足以支持它，从而使壹角硬币沉到了水底。（2）对于较大质量物体，由于它们不是漂浮在液体表面上，所以观察不到上述现象。（3）如果小蜡块含有杂质，杂质小蜡块与小木块相互吸引，杂质小蜡块与纯净小蜡块相互排斥。原因可能是对含杂质的小蜡块，水是浸润的。（4）小蜡块可以一直贴近塑料水槽的边缘，小木块却不能靠近塑料槽的边缘，原因是对于塑料水槽而言，水也是不浸润的。
7．交流与合作
各个小组把实验过程和结果写成实验报告，并分别在班上报告本组的实验结果，进行讨论和交流。
二、再探究
1．提出问题
同学们通过讨论与交流，弄明白了浸润物体与浸润物体之间相互吸引，不浸润物体与不浸润物体之间相互吸引，浸润物体与不浸润物体之间相互排斥。那么，为什么会出现这样的现象呢?
2．进行实验与收集证据
可以改进前面的实验，用放大镜观察液面的情况。发现浸润物体与液面接触成凹形，不浸润物体与液面接触成凸形（如图1）。

3．分析与论证
原来在液体表面层中，由于分子间的距离比较大，分子间的作用力表现为引力，液体分子间的作用力是同一类物质的分子间的吸引力，叫做内聚力。液体界面上分子和接触固体分子间存在着的吸引力是不同物质分子间的吸引力，叫做附着力。当物体浮在液体表面上时，如果水和物体间的附着力大于水自身的内聚力，液面呈凸形，水是不浸润的。液体界面在不与固体分子接触处，内聚力引起液体界面上的分子都要互相靠拢，表现为液面就像张紧的橡皮膜有自动收缩的现象，这种作用于液面上力图使液体表面收缩成最小面积的力，称为表面张力。两漂浮物相互接近时，它们之间的液面就变成弯曲的。由于液体表面类似张紧的橡皮膜，液面受力总有变平的趋势（如图1）。因此，我们可以观察到浸润物体之间相互吸引，不浸润物体间也是相互吸引，浸润物体与不浸润物体之间液面要有变平的趋势，所以相互排斥。
4．评估
（1）使用放大镜观察，使认识达到了新的深度。（2）上面的分析与论证，是以液体表面层中分子间距离比较大，分子间的作用力表现为吸引力为前提。（3）上面分析与论证对学生的想象能力、逻辑推理能力要求较高，所以只适合于向资质优秀的学生提出更高要求。
可以进行新的探究，进一步提出如下问题：
①为什么说液体表面层分子间的距离比较大?
②为什么说分子间距离较大时，分子间的作用力表现为吸引力?
③液体表面张力能不能定量计算?
④用带电棒靠近漂浮物又会出现怎样的现象?如何去解释?
三、探究的启示
通过以上探究实例，带给我们的启示是多方面的：（1）探究过程可以涉及所有的探究要素，也可以涉及部分要素。（2）探究的过程是：问题──探究──新问题──再探究的螺旋式上升的过程。（3）探究能激发学生的好奇心与求知欲，培养学生的学习兴趣，使学生从被动接受知识走向主动获取知识。（4）可以使学生经历和科学家相似的过程，学习科学家的探究方法，领悟科学的思想和精神。
原载《实验教学与仪器》（长沙），2004．7／8