李一帆

【摘要】兩塊玻璃之間夾有一層薄薄的水并緊貼在一起，則需要用較大的力才能將兩者分離。本文通過控制變量法從用水量，液體種類，玻璃片表面打蠟處理，改變外界氣壓大小等多方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量和探究，結(jié)合大氣壓力與水的表面張力兩方面，理論分析了夾層有水的玻璃的受力情況，得出了拉力大小在相同面積下主要決定于液體的表面張力系數(shù)，液體與物體表面的浸潤程度，而與大氣壓力無關(guān)的結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】粘合力 ?大氣壓力 ?表面張力 ?控制變量法

【中圖分類號】G63 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）13-0174-02

一、背景

日常生活中，如果兩片玻璃片中間存在著水的時(shí)候，很難將玻璃片分開，關(guān)于這個(gè)現(xiàn)象的解釋，有諸如大氣壓力，表面張力等等說法[1][2]，但大多數(shù)限于理論分析，缺乏必要的實(shí)驗(yàn)判定。在本文中，我合理設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方法測量了粘合力的大小，并通過控制變量法研究了用水量、液體種類、玻璃片表面打蠟處理、改變外界氣壓對于粘合力大小的影響，從而在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了粘合力和液體以及玻璃片表面有關(guān)，而和大氣壓無關(guān)的結(jié)論，因此我認(rèn)為粘合力和表面張力相關(guān)和大氣壓力無關(guān)。

二、實(shí)驗(yàn)器材

載玻片（玻璃片）兩片（使用電子稱得到每片10g，使用直尺得到長和寬分別為7.6cm×2.5cm），水，醋，醬油，牛奶，酒精，膠頭滴管，真空罩，蠟，電子秤，砝碼（使用電子稱得到每個(gè)約10g），橡皮，紙巾，直尺。

三、粘合力的測量方法

首先使用膠頭滴管往下層載玻片中央滴加一定量的水，將上層載玻片與下層載玻片相互垂直，一段觸碰下層載玻片邊緣，另一端以約30°角緩慢蓋在下層載玻片上，并注意防止氣泡產(chǎn)生。待水填滿兩載玻片重合的區(qū)域（正方形，大小為2.5cm×2.5cm），用手按壓上方載玻片，使載玻片盡可能地相互貼緊，并同時(shí)用紙巾輕輕吸干夾層以外的水。將上層載玻片兩端架在兩個(gè)相同的橡皮上，下層玻璃片由于粘合力可以懸空靜止而不落下。此時(shí)在下層玻璃片的兩端上同時(shí)加相同質(zhì)量的砝碼，直至玻璃片落下，記錄玻璃片落下前后的砝碼質(zhì)量。粘合力大于下層玻璃片落下前砝碼加上下層玻璃片的總重力，小于下層玻璃片落下后砝碼和下層玻璃片的總重力，重力加速度取9.8kg·m/s2。

四、探究影響粘合力的因素

1.用水量

【實(shí)驗(yàn)步驟】

在本實(shí)驗(yàn)中，我通過測量兩個(gè)玻璃片的質(zhì)量m1以及測量加水后兩個(gè)玻璃片的質(zhì)量m2，得到用水量m=m2-m1，按照第三部分陳述的方法測量粘合力，得到粘合力隨著用水量m的變化規(guī)律。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】

用水量約為0.01g時(shí)，實(shí)驗(yàn)測得加20個(gè)砝碼的時(shí)候下層載玻片仍未落下，加22個(gè)砝碼時(shí)，下層載玻片落下，因此粘合力大小對應(yīng)質(zhì)量介于210g-230g之間的重力，也即粘合力介于2.06N-2.25N之間。同樣的方法測得用水量約為0.02g時(shí)，粘合力大小介于0.29N-0.49N之間，用水量約為0.03g時(shí)，粘合力大小介于0.1N-0.29N之間。

2.玻璃片表面打蠟

【實(shí)驗(yàn)步驟】

將兩片載玻片表面都打蠟處理或者只將一片載玻片表面打蠟處理，使用很少量的水粘合，測量力的大小。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】

只要將玻璃片打蠟處理，無論如何減少用水量，粘合力都不足以使得質(zhì)量為10g的玻璃片懸空，也即粘合力在載玻片表面打蠟處理后顯著下降，小于0.1N。

3.液體種類

【實(shí)驗(yàn)步驟】

使用不同的液體種類（水，醋，醬油，牛奶，酒精），盡量少的液體，測量能夠達(dá)到的最大粘合力，實(shí)驗(yàn)中對于同一個(gè)液體多次測量，以減小實(shí)驗(yàn)誤差。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】

液體種類不同時(shí)，所能夠達(dá)到的最大粘合力也不相同，使用水粘合兩個(gè)載玻片時(shí)，最大能夠加28個(gè)砝碼不落下，加30個(gè)砝碼載玻片脫落，因此粘合力最大能夠達(dá)到2.84N-3.04N;使用醋粘合兩個(gè)載玻片時(shí)，粘合力最大能夠達(dá)到2.25N-2.45N;使用醬油或者牛奶粘合兩個(gè)載玻片時(shí)，粘合力最大都能夠達(dá)到2.84N-3.04N;使用酒精粘合兩個(gè)載玻片時(shí)，粘合力最大能夠達(dá)到2.06N-2.25N。

4.外界氣壓

【實(shí)驗(yàn)步驟】

將兩個(gè)載玻片用約0.01g的水粘合后，在大氣環(huán)境下，實(shí)驗(yàn)測得加20個(gè)砝碼的時(shí)候下層載玻片仍未落下，加22個(gè)砝碼時(shí)，下層載玻片落下。所以在實(shí)驗(yàn)過程中，加20個(gè)砝碼，同時(shí)將整個(gè)裝置放置在真空罩里并開始抽真空，使用真空計(jì)記錄氣壓，并觀察載玻片是否脫落。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)直到氣壓一直抽到2kPa時(shí)，下層載玻片仍未脫落。

五、結(jié)果分析

通過對四個(gè)因素的探究，尤其是通過抽真空的方法，我沒有發(fā)現(xiàn)外界大氣壓影響粘合力的現(xiàn)象。如果按照文獻(xiàn)[1]中所提出的是大氣壓力造成的粘合力，那么在抽真空的實(shí)驗(yàn)過程中，氣壓從101kPa減小為2kPa時(shí)，粘合力應(yīng)該減小為原來的■倍，我們知道在大氣環(huán)境中，真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程中的粘合力小于2.25N，那么在2kPa時(shí)，粘合力應(yīng)該小于0.045N，這意味著粘合力不能粘合4.5g的質(zhì)量，這和實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全不同，所以我從實(shí)驗(yàn)上證明了大氣壓力不是產(chǎn)生粘合力的原因，因此文獻(xiàn)[1]中的說法是有錯(cuò)誤的。同時(shí)載玻片表面處理以及液體種類的改變都可以改變粘合力的大小，這也說明粘合力的大小和液體的性質(zhì)以及玻璃片的表面會有一定的關(guān)系，這也是使用大氣壓力來解釋粘合力無法解釋的結(jié)果。

網(wǎng)上還有說法，粘合力來源于直接的表面張力4？滓L，我們可以使用室溫下（20℃）水的表面張力系數(shù)？滓=7.28×10-2N/m，計(jì)算得到4？滓L≈0.007N，這個(gè)力相對于我們實(shí)驗(yàn)中測到的結(jié)果來說太小，根本無法解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此直接的表面張力也不會是粘合力的主要來源。

我的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加傾向于認(rèn)為文獻(xiàn)[2]中的結(jié)論是正確的。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為造成粘合力的原因是夾層液體表面向內(nèi)彎曲導(dǎo)致的液體內(nèi)外的拉普拉斯壓力，在我們的情形中為■L■，其中？滓為表面張力系數(shù)，R為夾層中水的側(cè)面表面如果處理為圓柱側(cè)面時(shí)所對應(yīng)的圓柱的橫截面半徑，L=2.5cm是載玻片重合的面積，也即水充滿的區(qū)域。按照這個(gè)公式，當(dāng)用水量增加時(shí)，夾層中的水的側(cè)面會變得平直，R趨于無窮大，因此粘合力在減小，將載玻片表面打蠟時(shí)，由于水在打蠟的載玻片上不浸潤，水的側(cè)面向外彎曲，此時(shí)水的內(nèi)部壓強(qiáng)大于大氣壓，因此壓力差無法提供正的粘合力，因此在實(shí)驗(yàn)上出現(xiàn)無法粘合的現(xiàn)象。改變液體種類，？滓會有所改變，因此粘合力也在發(fā)生改變。改變外界氣壓，并不會影響液體內(nèi)外的拉普拉斯壓力，因此在我的實(shí)驗(yàn)過程中，下層載玻片一直未脫落。

六、結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)測量和對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，我們確認(rèn)了兩片玻璃片中間有水時(shí)粘合力的來源是夾層液體表面向內(nèi)彎曲導(dǎo)致的拉普拉斯壓力，而非大氣壓力或者直接的表面張力。由于拉普拉斯壓力本身是一個(gè)表面張力造成的現(xiàn)象，可以認(rèn)為粘合現(xiàn)象是一個(gè)表面張力現(xiàn)象，但是不應(yīng)該簡單地認(rèn)為就是直接的表面張力造成的粘合力。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾鵬，王偉民.夾層有水玻璃難分開的主要原因不是分子引力[J]. 物理教師，2014（9）：60.

[2]蘇鑫楊，林方.分離夾層有水玻璃所需較大拉力的產(chǎn)生原理與影響因素[J].應(yīng)用物理， 2017（4）：85-91.