虎跑水的表面张力|物理现象的研究

水表面张力

the Surface Tension of Water

“龙井茶，虎跑水”被誉为杭州西湖的双绝，凡是来杭州游玩的人们，无不以身临其境地品尝以甘洌的虎跑泉水冲泡的龙井茶为快事。长者们还会给你做个实验：用杯子盛满虎跑水，再将钱币一枚一枚地放入杯中，泉水渐渐高出杯面3毫米也不会外溢。我们知道这是由于液体的表面张力所致，与水黾停在水面等现象是一个道理。虎跑水的表面张力特别大，但本实验用普通自来水即可完成。水的表面张力与哪些因素有关呢？

实验装置

多枚面值为一角的硬币，几张小餐巾纸，一只干燥洁净的玻璃杯，一大杯自来水，一瓶洗洁精。

现象观察

取两枚硬币，分别用小餐巾纸垫在其下面。其中一枚硬币竖放在小餐巾纸上，然后慢慢放入水中，见图1。发现当手缓慢放开之后，硬币就沉入水中。另一枚硬币平放在小餐巾纸上，再缓慢放入水中，可以观察到小餐巾纸慢慢沉入水中，而硬币却仍浮在水面上，见图2、图3。

再在水面上浮有硬币的杯中缓慢倒入洗洁精，发现硬币很快就沉入了水底，如图4。

图1　硬币竖放

图2　硬币平放

图3　漂浮的硬币

图4　硬币下沉(www.xing528.com)

现象解密

液体表面好像一层张紧的橡皮膜，沿着表面具有一种使其收缩的作用力。如在液面上假想地划一直线AA′’，把液体表面分成1、2两部分，如图5所示，则1、2两部分之间存在着一对与AA′’垂直、大小相等、方向相反的相互吸引力，这种作用力位于很薄的液体表面层内。如果液面是曲面，则作用力与液体表面相切。设液面界限AA′’长为l，作用在l上的表面张力为f，实验表明，f与l成正比，即f=γl，式中的比例系数γ称为表面张力系数。

图5　液体表面张力

上述实验中，当硬币竖直放入时，硬币与水的接触长度较小，受到的表面张力也较小；而当硬币平放时，硬币与水的接触长度较长，表面张力就大，使硬币能浮在水面上。

所以，表面张力系数在数值上等于作用在单位长度上的张力，单位为N·m^-1，它的大小跟液体的种类、液面外物质的种类和温度等有关。向水里滴入洗洁精之后，硬币沉入水中，说明不同液体的表面张力存在着差异，加入洗洁精使自来水的表面张力变小。

上述实验中，小餐巾纸只是起到了平稳的作用，对实验现象没有本质影响。

应用拓展

一枚一枚地将大头针慢慢放入满满一杯水中，放了很多枚，水并没有满出来，那么大头针的体积去哪儿了?

放大头针时一定要用手指捏住针头，使针尖先碰到水面。实验前千万别用洗洁精清洗玻璃杯，那样会影响水的表面张力，导致实验失败。若玻璃杯内径70mm，盛满水后因为水的表面张力仍能平均鼓起1mm（中央厚而边缘薄，这里以平均计）而不外溢，那么鼓起部分的体积就有3846.5mm³。通常一枚大头针的体积非常小，约是5.2mm³，于是这样一只内径约70mm的装满水的玻璃杯中至少还可以再容纳750多枚大头针。^[1]

思考题

请查阅资料，并分析为什么虎跑泉水的表面张力特别大？

如何使肥皂泡吹得更大？

【注释】

[1]郭温主编.培养聪明孩子的趣味科学实验.北京:华夏出版社,2011:97