浅谈大学物理关于液体表面张力演示实验的应用

曹旭东 冯秀绒 王文伟

（西北农林科技大学理学院，陕西 杨凌712100）

浅谈大学物理关于液体表面张力演示实验的应用

曹旭东 冯秀绒 王文伟

（西北农林科技大学理学院，陕西 杨凌712100）

农科《大学物理》是农林院校大学生的一门必修课，液体表面张力是农科《大学物理》的特有章节。笔者结合自身教学经验，通过液体表面张力一节的授课，阐述了《大学物理》教学中演示实验的重要性。

大学物理；表面张力；演示实验

农科《大学物理》是农林院校大学教学环节中的一门必修课程，要求学生在学习过《高等数学》等课程后，紧接着学习的一门课程。《大学物理》作为一门基础课，其在高等教育教学中的重要性毋庸置疑，教好学好这门课程成为大学生活中经常谈论的话题。笔者作为一名农科院校物理系讲师，主要讲授《大学物理》这门课程，结合近几年的教学经历，主要谈谈在农科特有的“液体表面张力”一节的讲课经验。

1 基本概念教学

液体表面指的是“液体与气体的分界面处厚度等于分子有效作用半径的那层液体。”[1]那么，这部分液体有什么特殊性呢？液体内部分子与液体表面分子，液体分子与气体分子在动力学方面均有不同。流体力学中液体在受到剪切应力作用时，也会表现出类似固体的特性。液体表面张力是液体表面层存在的一种具有收缩趋势的力。这种力使得液体表面层像张紧的弹性膜，总要使液体表面收缩到最小面积。

表面张力的量化需要用到表面张力系数。表面张力系数可从三种角度定义，即力学角度，做功角度和表面能的角度。实验表明，液体表面张力与线段长度L成正比，其比例系数称为液体表面张力系数。用力撑开液膜使得液体表面积增大，这个力所做的功，经过计算，其大小与液面面积的变化量成正比，其比例系数正好为液体表面张力系数。根据能量守恒和转化定律，在温度不变的情况下，外力完全用于克服表面张力所做的功，全部转化为液体的表面层所增加的势能，此势能称为表面能。因此，表面能的改变量与液面面积的变化量成正比，其比例系数正好为液体的表面张力系数。

2 演示实验教学

表面张力系数的介绍通过三种角度分别进行了定义，但让学生更快更好的理解表面张力系数的含义，仅仅通过文字和公式是不够的，通过演示实验的方法，使学生获得最直观的感受，既能使学生产生深刻的印象，又能活跃课堂气氛，增添学习乐趣。“液体的表面张力系数测定”是农科《大学物理实验》的内容之一，有多种方法进行测量，例如拉脱法、传感器法、毛细管法等。经典测量方法是拉脱法。实验中，金属丝置于液体表面，拉动金属丝框，金属丝框将拉起水膜。此时水膜对金属丝框的表面张力依然存在，但两侧的表面张力不在同一作用线上，而是沿液面切线方向向下，其夹角小于180°，由此会产生一个向下的分力。继续拉动金属丝框，金属丝框会将水膜拉起使其更为倾斜，两侧表面张力的夹角变小，致使向下的分力增大。进一步增大拉力，最终水膜被拉起至与水平面垂直，表面张力竖直向下，其对金属丝框的拉力达到最大，等于两侧表面张力的代数和。若进一步拉起金属丝框，水分子的表面张力不足以带动更多的水分子上升，水膜即发生断裂。此时读出拉动金属丝框的拉力值，即可计算出表面张力的大小。拉脱法使用的焦利秤，仪器结构简单，操作方便，很适合做教学演示。实验需要如下步骤：先调整弹簧下端的金属夹使三线对准，再操作焦利秤上端使弹簧与金属丝受到向上的拉力，同时，操作液体下平台螺丝使平台下降以对金属丝产生向下拉力，同时观测玻璃夹状态，利用双手配合使玻璃夹处三条线始终对准，直至液面水膜破裂，三线对准状态发生突变，即可测得液体的表面张力。[2]在实验时需要手眼配合，注意力集中。上课演示此实验时，学生聚精会神，结合刚刚讲过的液体表面张力概念，体会液面的细微变化。液面在被拉起时，看到教师紧盯玻璃夹，心里想着液面将破，内心的紧张刺激表露无遗。

3 理论与实验教学结合的意义

在《大学物理》的教学过程中，要求学生在一个学期内学完包括力学、电磁学、热学、光学、近代物理等章节的全部内容，虽然这些知识点都是各自部分的基础内容，但整个算下来，一个学期的时间要想把知识讲清讲透，让学生感到学懂了学会了，确实有点仓促。近年，由于课程调整，笔者所在学校的《大学物理》农科课程课时由最初的64学时下降到48学时，时间上更为捉襟见肘。因此，满堂灌式的学习形式已不能满足教学双方的需要，一定要找到一条新路。物理是一门理论实验并重的学科，理论实验相辅相成。课堂上进行演示实验，虽然会占用一些理论课时间，但从长远看，有利于学生充分理解所学知识。大学课堂和中学课堂不同，要在较短的时间内讲述更深刻的内容，对于老师和学生都是非常大的挑战。学生应当利用课余时间，充分了解教学内容，在课堂上教师将学生在课下不能了解到的或前沿的内容呈现给学生们，不能也没必要照本宣科。如今，互联网上可以免费看到很多国内外大学的教学视频，数字期刊在学校的网站上可以免费浏览，学生的学习资源空前丰富，应当鼓励学生去使用这些资源，在有限的时间内完成学习任务。《大学物理》教学过程中可以进行的演示实验非常多，通过演示实验教学，一方面，可以使学生在学习时，摆脱满脑子的公式和概念，转而有一份期待——在课堂中看到各种实验仪器和新奇的实验现象——增添其探索更复杂物理世界的兴趣；另一方面，学生提高了学习兴趣，能够自发学习，才能够更好的完成学习任务，取得好成绩。

［1］王国栋，主编.大学物理学[M].2013：58-62.

［2］王国栋，主编.大学物理实验[M].2008：109-119.

［责任编辑：李书培］

突出文化品性的大学物理教学模式的改革与实践（JY1504068）。

曹旭东（1983—），男，汉族，河南巩义人，讲师，主要从事理论生物物理方面的研究。

冯秀绒（1975—），女，汉族，陕西大荔人，讲师，主要从事物理和环境生物学研究工作。