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漂浮的针——水的表面张力

摘要：本论文探究水的表面张力现象，通过实验研究针在水中的漂浮过程，并对此现象进行了深入的探索。首先，我们提出一个有趣的问题：为何针会在水中漂浮？在查阅相关资料后，我们了解到这是由于水的表面张力所导致的。接下来，我们详细描述了实验过程和结果。通过精密的实验设计和操作，我们发现水的表面张力使得针在水面上漂浮，这一现象得到了实验数据的验证。实验过程中，我们还对影响针在水面漂浮的各种因素进行了探究，对实验结果进行了总结，并讨论了水的表面张力及其对物质运动的影响。通过本实验，我们深入了解了水的表面张力现象，同时也拓展了对物质在水中的运动机制的认识。

关键词：水的表面张力；漂浮；针；应用

 

一、提出问题

当水滴停留在叶片或其他表面上时，它可以保持其球形形状；当妈妈用湿布清洁墙壁时,水会形成针尖状的滴落,而不是流下来；湖中有的落叶沉底，有的却浮在湖面上。再到一根普通的针，竟然可以在水面上漂浮起来呢？这听起来像是魔术，但其实是科学的魔力在作怪。究竟是什么原因导致这种现象呢，为此，我在妈妈的帮助下，查找了一些资料，并做了一个小实验，一起去探索这个神奇的科学现象——水的表面张力。

二、查阅资料

在日常生活中，水的表面张力也发挥着重要的作用。例如，我们使用的肥皂泡能够保持形状就是因为水的表面张力作用。此外，水的表面张力也是许多工艺流程中的关键因素，如造纸、纺织、涂料等。

水滴之所以能够保持球形形状，是因为表面张力。表面张力使得水分子在表面上相互吸引，形成一个紧绷的薄膜。这种薄膜的紧绷性质使得水滴能够最小化其表面积，从而呈现出球形。洗洁精是一种表面活性剂，它在水中能够改变水分子之间的相互作用，从而降低水的表面张力。因此，当我们在清洁墙壁时，水分子的相互吸引和附着使得水分子之间产生了一定的凝聚力，从而形成了针尖状的滴落。
    如果我们拿一根针放到水里，通常人们会认为它会沉底。但是事实并非如此。实际上，这跟沉底的针能够漂浮在水面上，这种现象实在是让人惊讶。在物理学中，水的密度为1g/m3，而针的密度却是它的7.8倍。从这个角度来看，针应该沉底才对。然而，针却能浮在水面上靠的却是水的表面张力。当我们把软木塞放到水里时，会看到它一部分浸在水里，一部分在水上，这就是浮力的作用。但是把针放在水里时，它却没有浸到水里。我们能在针的下方看到一个凹槽，这是由于水的表面张力形成的。正是这个凹槽把针托了起来，这就是针为什么能够在水面上漂浮的原因。
在这个现象中，我们可以深入理解到水的表面张力的重要性以及它如何影响我们周围的世界。这个看似微小的力量，实际上在许多工艺流程和日常生活中发挥着重要的作用。

三、实验过程

（一）实验一：探究水的表面张力

1.实验工具

工具准备：针、一盆清水、镊子、洗洁精、洗手液、盐水沐浴露、记录表（如图3.1）

 

 

 

 

 

 

 

 

图3.1

2.实验步骤

（1）找一个平滑的表面，将装满清水的容器放在上面。等待片刻，使得水面上的波动散去，这样后续的实验数据更加准确。（如图3.2）。

 

图3.2

（2）准备一个干净、无杂质的镊子。在不锈钢针的表面沾上一些水，以此保证针表面的干净（如图3.3）。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图3.3

（3）小心地用镊子将一根针放到水的表面，尽量不要产生涟漪或其他扰动，以免影响实验结果（如图3.4）。

图3.4

（4）用镊子小心地移出针。这是操作的最关键步骤之一，需要保持手部稳定和轻柔。夹住针的部位最好在中央，这样可以确保针保持在水的表面上（如图3.5）。

 

 

 

 

 

 

 

 

图3.5

（5）向水中滴加一滴洗洁精。注意不要在针上直接滴加，这样可能会影响实验结果。也不要将清洁剂滴入水中心，而应该尽可能地靠近针的位置，以便效果更好（如图3.6）。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图3.6

（6）观察针的反应。在实验开始后，针会迅速沉入水中，直到其彻底浸入水中，针表面的水平面会略微升高。清洁剂中的表面活性剂分子会破坏水的表面张力，使得水在针周围形成一个凹面，从而导致针下沉（如图3.7）。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图3.7

（7）分别尝试使用洗手液、沐浴露、盐水等不同物质进行实验，观察它们对水的表面张力的影响。记录每种情况下的实验数据。

（8）实验结束后，清洗所有工具，保持整洁。

3.实验结果

通过本次实验，我们观察到针在清水中能够漂浮在水面上，这是由于水的表面张力起到了支撑作用。而当我们在水中加入洗洁精、洗手液或沐浴露时，针会迅速地往下沉，这是因为这些物质降低了水的表面张力。此外，针在盐水中呈现悬浮状态，这可能是由于盐分改变了水的密度和表面张力。

4. 数据分析

实验材料	加入液体后针的沉浮情况	对比前后针的位置变化
水+针	针一直悬浮水中	无明显变化
水 + 洗洁精 + 针	针马上沉入水中	针的位置明显下降
水 + 洗手液 + 针	针马上沉入水中	针的位置明显下降
水 + 沐浴露 + 针	针马上沉入水中	针的位置明显下降
水 + 盐水 + 针	针一直悬浮水中	无明显变化

 

3.实验结论

（1）是水的表面张力支撑住了针，使之不会沉下。表面张力是水分子形成的内聚性的连接。这种内聚性的连接是由于某一部分的分子被吸引到一起，分子间相互挤压，形成一层薄膜。这层薄膜被称做表面张力，它可以托住原本应该沉下的物体。

（2）洗洁精、洗手液和沐浴露等表面活性剂分子破坏了水的表面张力，由此，针就浮不住了。这些液体中主要由含有疏水基团和亲水基团的分子组成。疏水基团喜欢与非极性物质相互作用，而亲水基团则喜欢与极性物质（如水）相互作用。当洗洁精与水混合时，疏水基团会聚集在水表面，而亲水基团则与水分子相互作用。这种分子在水表面形成了一层薄膜，称为胶束。胶束的存在减弱了水分子之间的相互吸引力，导致水的表面张力降低。这使得水能更好地湿润和渗透到物体表面上，提高了洗涤能力。因此，洗洁精的表面活性剂性质改变了水分子的排列方式，减小了水分子之间的相互吸引力，从而降低了水的表面张力。

（3）盐水中的盐分改变了水的密度和表面张力。盐分的加入使得水分子之间的相互作用力发生变化，从而影响了水的表面张力。这种变化使得针在盐水中呈现悬浮状态。

（二）实验二：表面张力与液体种类有关

1.实验工具

水槽：用于盛放实验所需的液体。
纸片：制作成小船形状，用于模拟液体表面张力的作用。
滴管：用于精确控制洗洁精水的滴入量。
洗洁精水：通过在水中加入适量的洗洁精制成，以改变液体的表面张力。（如图3.8）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图3.8

2. 实验步骤

（1）准备实验环境，将水槽清洗干净并装满清水。确保实验环境干净整

洁，避免外部干扰因素对实验结果造成影响。

（2）将纸片折叠成小船形状，确保其能够稳定漂浮在水面上。小船的制作需精细，以保证其在实验中的稳定性和可靠性。

（3）轻轻将小船置于水面上，确保其稳定漂浮。此时，可以观察到小船在水面上保持平衡，这是由于水的表面张力作用所致。（如图3.9）。

图3.9

（4）使用滴管在小船尾端的缺口处竖直滴入一滴洗洁精水。在这一步中，需确保滴入的洗洁精水量准确且迅速，以减少实验误差。（如图3.10）。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图3.10

（5）滴入洗洁精水后，立即观察小船的运动情况。可以看到，小船迅速飞出，呈现出明显的加速度。如图（3.11）。

图3.11

3.实验数据记录与分析

实验次数	滴入洗洁精水量（mL）	小船飞出时间（s）	加速度（cm/s²）
...	...	...	...
1	0.05	1.2	15
2	0.08	0.9	18
3	0.1	0.7	20
4	0.2	0.3	22

通过对实验数据的分析，我们可以得出以下结论：
（1）在相同滴入量的条件下，小船飞出时间较为稳定，说明实验的可重复性

较好。