硬币浮在水面上的奥秘

(江苏省南京外国语学校仙林分校,江苏 南京 210023)

硬币浮在水面上的有趣现象引起了很多同学的探究兴趣，然而由于测量受力因素的仪器不容易获得或参数测量困难，常常导致对这一实验现象的认识不够深入和全面。

关于硬币浮在水面上的原因，一般将其解释为水的表面张力的作用，而忽略了其他作用力的贡献,缺少进一步的深入分析。一些文献中所用的仪器不容易得到，因而影响对这个有趣实验现象的观察和分析。笔者将5分硬币浮于水面，借助摄影技术获得清晰的照片，直接进行关键参数的测量，对各项受力进行了计算和分析，对硬币浮在水面这一现象有了更加全面和深入的认识。

1 实验过程

将一枚5分硬币分别用二氯甲烷和无水乙醇洗涤30分钟，以充分除去硬币表面的污垢，然后在电热恒温鼓风干燥箱60℃的温度条件下干燥1小时，用分析天平测量质量，用电子游标卡尺测量硬币的直径和厚度。

用不锈钢镊子将一枚清洗干净的5分硬币放到盛有自来水的透明玻璃缸中的水面上，使其浮起。待硬币在水面上稳定后，用相机从硬币的正上方和侧面分别拍照。获得照片后，用量角器测量照片上硬币周围倾斜液面和水平线之间的角度，用刻度尺测量水平液面与硬币下表面之间的间距(图1)。

图1

实验中所用到的一些重要参数如下：25℃下水的表面张力系数σ=70.3×10-3N/m，水的密度ρ=1.0×103kg/m3，重力加速度g=9.8N/kg。测得5分硬币的直径d=23.9×10-3m,厚度h=1.73×10-3m,质量m=1.6×10-3kg。

2 受力分析

能够让5分硬币浮在水面上，除了水的表面张力外，必然还有另外的支持力，通过观察拍摄的照片，可以看到硬币并没有完全浸没在水面以下，而是将水面压弯，形成一个凹形曲面(图1、图2),所测的夹角和文献[1]估算的结果非常接近。这个凹形曲面存在着上下高度差，因此会产生一个向上的压强，这个压强作用在5分硬币的下表面，形成了一个垂直向上的力Fp。

图2

通过对表面张力和水面夹角的测量，可以精确地计算出表面张力对硬币浮在水面上的贡献率。测得照片上水面距硬币下表面的距离，就可以计算出水对硬币的向上压力Fp。

图3

3 结语

笔者巧妙利用透明玻璃缸，将5分硬币浮于水面，从正上方和侧面对硬币分别进行拍摄，获得了清晰的照片，从所获得的图片上测出必要的数值，即表面张力和水平面之间的夹角、水平面到硬币下表面之间的距离，计算出了二者各自对硬币浮在水面上的贡献率。所用方法简单，避免使用复杂的仪器测量，能够加深学生对这个物理现象的认识。