水面為什麼能浮硬幣?

2024-02-05 3 [ 說明文 ]

在6.1兒童節中我和同學參加了一個科學活動,那裡有許多有趣的科學實驗。其中一個實驗吸引了我的注意力。把一塑膠尺子豎放(或側放)在水面時,發現尺子迅速下沉了;而當他把尺子平放在水面時,即可發現尺子漂在水面上。

豎放(或側放)尺子在水面上時,尺子下沉,是由於尺子所受的浮力小於它自身的重力而引起的;那又為什麼在平放尺子時,它卻是漂浮在水面上,若按物體的浮沉條件,物體漂浮時浮力可是等於重力的呀。這兩者豈不自相矛盾了嗎?問題癥結在哪裡呢? 

這個活動要求參加者用棉紙把縫衣針墊起放在水面上,當棉紙被水浸溼下沉後,觀察現象並說明原因,很多參加者認為縫衣針浮在水面是由於液體表面張力作用的原因,以為針受重力、浮力和液體表面張力三者相平衡而使針能漂在水錶面上。 我很好奇帶著問題問工作人員“什麼是液體的表面張力呢? ”

工作人員告訴我液體表面附近的分子由平衡位置向外運動時,因為外部空氣和蒸氣分子對它的斥力很小。不起顯著作用。它只受到內部分子的吸引力,因此使它恢復到平衡位置的作用力就沒有在液體內部時大,使得表面層裡的分子振動的振幅要比液體內部分子的振幅大,一些動能大的分予就可能衝出吸力範圍,成為蒸氣分子,結果形成表面層裡的分子分佈比液體內部的分子分佈稀疏,分子之間的距離就比較大、正是由於液麵分子分佈較內部稀疏,分子間距,分子間引力佔優勢而產生了液體表面張力,由此可知,液體表面的張力實質是分子間相互作用的合力,它指向液體內部,可見托起硬幣的力不可能是液體表面張力。     

她們先讓我先做一個實驗:在一盛有水的燒杯的水面平放一張濾紙,把一枚面值一角的硬幣平放在濾紙上,待濾紙被浸溼而下沉後,發現硬幣仍漂在水面上。注意觀察硬幣周圍會發現水面向下凹陷,而硬幣並未浸入水中,只是漂在水錶面上。由此可見,此時硬幣並未受到浮力作用。那是什麼力與重力相平衡而使硬幣漂在水面上呢? 

由上一實驗現象可知,水面向下凹陷,發生了形變,從而產生了一個與形變方向相反的彈力——支援力,這就如在一個吹氣的氣球上放上一個物體,由於物體的重力而使氣球形變(向下凹陷),而產生了豎直向上的支援力一樣。是這個與重力大小相等、方向相反的支援力使硬幣漂在水錶面上。( 上面幾個實驗中的塑膠尺子、縫衣針漂在水面上與此相同 ) 

為什麼側放或豎放尺子、縫衣針以及硬幣時,它們都將沉到水底呢?我們還是以硬幣為例,當它側放或豎放時,液麵的受力面積很小,壓強很大,壓力作用效果顯著;這與穿高跟鞋踩在沙地,鞋跟將陷入沙中一樣,硬幣陷入了水中,從而打破了水面的彈性形變,使水錶面對它的支援力不復存在。此時硬幣只受浮力和重力作用,而由於重力大於浮力,所以硬幣很快就下沉到水底了。而平放時,對水面壓強很小,就不會發生上述現象,而使硬幣浮在水錶面上保持平衡。在自然界中,也有許多相類似的現象。有些小昆蟲可以在水面上跑來跑去或停留在水面上,不致於陷入水裡,也是同樣的道理。

補充糾錯
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