淺談大學物理關于液體表面張力演示實驗的應用

曹旭東　馮秀絨　王文偉

【摘 要】農科《大學物理》是農林院校大學生的一門必修課，液體表面張力是農科《大學物理》的特有章節。筆者結合自身教學經驗，通過液體表面張力一節的授課，闡述了《大學物理》教學中演示實驗的重要性。

【關鍵詞】大學物理；表面張力；演示實驗

農科《大學物理》是農林院校大學教學環節中的一門必修課程，要求學生在學習過《高等數學》等課程后，緊接著學習的一門課程?！洞髮W物理》作為一門基礎課，其在高等教育教學中的重要性毋庸置疑，教好學好這門課程成為大學生活中經常談論的話題。筆者作為一名農科院校物理系講師，主要講授《大學物理》這門課程，結合近幾年的教學經歷，主要談談在農科特有的“液體表面張力”一節的講課經驗。

1 基本概念教學

液體表面指的是“液體與氣體的分界面處厚度等于分子有效作用半徑的那層液體?！盵1]那么，這部分液體有什么特殊性呢？液體內部分子與液體表面分子，液體分子與氣體分子在動力學方面均有不同。流體力學中液體在受到剪切應力作用時，也會表現出類似固體的特性。液體表面張力是液體表面層存在的一種具有收縮趨勢的力。這種力使得液體表面層像張緊的彈性膜，總要使液體表面收縮到最小面積。

表面張力的量化需要用到表面張力系數。表面張力系數可從三種角度定義，即力學角度，做功角度和表面能的角度。實驗表明，液體表面張力與線段長度L成正比，其比例系數稱為液體表面張力系數。用力撐開液膜使得液體表面積增大，這個力所做的功，經過計算，其大小與液面面積的變化量成正比，其比例系數正好為液體表面張力系數。根據能量守恒和轉化定律，在溫度不變的情況下，外力完全用于克服表面張力所做的功，全部轉化為液體的表面層所增加的勢能，此勢能稱為表面能。因此，表面能的改變量與液面面積的變化量成正比，其比例系數正好為液體的表面張力系數。

2 演示實驗教學

表面張力系數的介紹通過三種角度分別進行了定義，但讓學生更快更好的理解表面張力系數的含義，僅僅通過文字和公式是不夠的，通過演示實驗的方法，使學生獲得最直觀的感受，既能使學生產生深刻的印象，又能活躍課堂氣氛，增添學習樂趣。“液體的表面張力系數測定”是農科《大學物理實驗》的內容之一，有多種方法進行測量，例如拉脫法、傳感器法、毛細管法等。經典測量方法是拉脫法。實驗中，金屬絲置于液體表面，拉動金屬絲框，金屬絲框將拉起水膜。此時水膜對金屬絲框的表面張力依然存在，但兩側的表面張力不在同一作用線上，而是沿液面切線方向向下，其夾角小于180°，由此會產生一個向下的分力。繼續拉動金屬絲框，金屬絲框會將水膜拉起使其更為傾斜，兩側表面張力的夾角變小，致使向下的分力增大。進一步增大拉力，最終水膜被拉起至與水平面垂直，表面張力豎直向下，其對金屬絲框的拉力達到最大，等于兩側表面張力的代數和。若進一步拉起金屬絲框，水分子的表面張力不足以帶動更多的水分子上升，水膜即發生斷裂。此時讀出拉動金屬絲框的拉力值，即可計算出表面張力的大小。拉脫法使用的焦利秤，儀器結構簡單，操作方便，很適合做教學演示。實驗需要如下步驟：先調整彈簧下端的金屬夾使三線對準，再操作焦利秤上端使彈簧與金屬絲受到向上的拉力，同時，操作液體下平臺螺絲使平臺下降以對金屬絲產生向下拉力，同時觀測玻璃夾狀態，利用雙手配合使玻璃夾處三條線始終對準，直至液面水膜破裂，三線對準狀態發生突變，即可測得液體的表面張力。[2]在實驗時需要手眼配合，注意力集中。上課演示此實驗時，學生聚精會神，結合剛剛講過的液體表面張力概念，體會液面的細微變化。液面在被拉起時，看到教師緊盯玻璃夾，心里想著液面將破，內心的緊張刺激表露無遺。

3 理論與實驗教學結合的意義

在《大學物理》的教學過程中，要求學生在一個學期內學完包括力學、電磁學、熱學、光學、近代物理等章節的全部內容，雖然這些知識點都是各自部分的基礎內容，但整個算下來，一個學期的時間要想把知識講清講透，讓學生感到學懂了學會了，確實有點倉促。近年，由于課程調整，筆者所在學校的《大學物理》農科課程課時由最初的64學時下降到48學時，時間上更為捉襟見肘。因此，滿堂灌式的學習形式已不能滿足教學雙方的需要，一定要找到一條新路。物理是一門理論實驗并重的學科，理論實驗相輔相成。課堂上進行演示實驗，雖然會占用一些理論課時間，但從長遠看，有利于學生充分理解所學知識。大學課堂和中學課堂不同，要在較短的時間內講述更深刻的內容，對于老師和學生都是非常大的挑戰。學生應當利用課余時間，充分了解教學內容，在課堂上教師將學生在課下不能了解到的或前沿的內容呈現給學生們，不能也沒必要照本宣科。如今，互聯網上可以免費看到很多國內外大學的教學視頻，數字期刊在學校的網站上可以免費瀏覽，學生的學習資源空前豐富，應當鼓勵學生去使用這些資源，在有限的時間內完成學習任務。《大學物理》教學過程中可以進行的演示實驗非常多，通過演示實驗教學，一方面，可以使學生在學習時，擺脫滿腦子的公式和概念，轉而有一份期待——在課堂中看到各種實驗儀器和新奇的實驗現象——增添其探索更復雜物理世界的興趣；另一方面，學生提高了學習興趣，能夠自發學習，才能夠更好的完成學習任務，取得好成績。

【參考文獻】

[1]王國棟，主編.大學物理學[M].2013：58-62.

[2]王國棟，主編.大學物理實驗[M].2008：109-119.

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