硬幣浮在水面上的奧秘

(江蘇省南京外國語學校仙林分校,江蘇 南京 210023)

硬幣浮在水面上的有趣現象引起了很多同學的探究興趣，然而由于測量受力因素的儀器不容易獲得或參數測量困難，常常導致對這一實驗現象的認識不夠深入和全面。

關于硬幣浮在水面上的原因，一般將其解釋為水的表面張力的作用，而忽略了其他作用力的貢獻,缺少進一步的深入分析。一些文獻中所用的儀器不容易得到，因而影響對這個有趣實驗現象的觀察和分析。筆者將5分硬幣浮于水面，借助攝影技術獲得清晰的照片，直接進行關鍵參數的測量，對各項受力進行了計算和分析，對硬幣浮在水面這一現象有了更加全面和深入的認識。

1 實驗過程

將一枚5分硬幣分別用二氯甲烷和無水乙醇洗滌30分鐘，以充分除去硬幣表面的污垢，然后在電熱恒溫鼓風干燥箱60℃的溫度條件下干燥1小時，用分析天平測量質量，用電子游標卡尺測量硬幣的直徑和厚度。

用不銹鋼鑷子將一枚清洗干凈的5分硬幣放到盛有自來水的透明玻璃缸中的水面上，使其浮起。待硬幣在水面上穩定后，用相機從硬幣的正上方和側面分別拍照。獲得照片后，用量角器測量照片上硬幣周圍傾斜液面和水平線之間的角度，用刻度尺測量水平液面與硬幣下表面之間的間距(圖1)。

圖1

實驗中所用到的一些重要參數如下：25℃下水的表面張力系數σ=70.3×10-3N/m，水的密度ρ=1.0×103kg/m3，重力加速度g=9.8N/kg。測得5分硬幣的直徑d=23.9×10-3m,厚度h=1.73×10-3m,質量m=1.6×10-3kg。

2 受力分析

能夠讓5分硬幣浮在水面上，除了水的表面張力外，必然還有另外的支持力，通過觀察拍攝的照片，可以看到硬幣并沒有完全浸沒在水面以下，而是將水面壓彎，形成一個凹形曲面(圖1、圖2),所測的夾角和文獻[1]估算的結果非常接近。這個凹形曲面存在著上下高度差，因此會產生一個向上的壓強，這個壓強作用在5分硬幣的下表面，形成了一個垂直向上的力Fp。

圖2

通過對表面張力和水面夾角的測量，可以精確地計算出表面張力對硬幣浮在水面上的貢獻率。測得照片上水面距硬幣下表面的距離，就可以計算出水對硬幣的向上壓力Fp。

圖3

3 結語

筆者巧妙利用透明玻璃缸，將5分硬幣浮于水面，從正上方和側面對硬幣分別進行拍攝，獲得了清晰的照片，從所獲得的圖片上測出必要的數值，即表面張力和水平面之間的夾角、水平面到硬幣下表面之間的距離，計算出了二者各自對硬幣浮在水面上的貢獻率。所用方法簡單，避免使用復雜的儀器測量，能夠加深學生對這個物理現象的認識。