摘要：在自然界和日常生活中，液體表面張力現(xiàn)象比比皆是，但表面張力的成因是抽象的，不像彈力、摩擦力那樣容易被學(xué)生感受和認(rèn)知。在本節(jié)實(shí)際教學(xué)中，該文同時(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新和思維創(chuàng)新，將演示實(shí)驗(yàn)做成了分組實(shí)驗(yàn)，做到化靜態(tài)為動(dòng)態(tài)，引導(dǎo)學(xué)生自制教具反哺教學(xué)，將短暫現(xiàn)象延時(shí)且可重復(fù)演示，不斷提升了學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：表面張力；自制學(xué)具；實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

1概述

液體的表面張力是《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》選擇性必修第三冊(cè)模塊《液體》的內(nèi)容。課程標(biāo)準(zhǔn)要求為：觀察液體的表面張力現(xiàn)象；了解表面張力產(chǎn)生的原因；知道毛細(xì)現(xiàn)象。分析生活中與表面張力相關(guān)的實(shí)例，活動(dòng)建議：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，比較肥皂水和清水的表面張力?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)的解讀為：要求學(xué)生通過(guò)日?，F(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)觀察液體的表面張力現(xiàn)象，并且能夠應(yīng)用分子動(dòng)理論解釋液體表面張力產(chǎn)生的原因。學(xué)生通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察和思考，嘗試解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。例如，把一條細(xì)棉線系在鐵絲環(huán)上，使環(huán)上布滿肥皂水的薄膜，這時(shí)膜上的棉線圈是松弛的，用熱針刺破棉線圈里的肥皂膜，棉線圈外的薄膜就會(huì)收縮，使棉線圈張緊成圓形。又如，讓學(xué)生在裝滿水的杯子內(nèi)輕輕放入一些小硬幣，觀察杯邊水面形狀，說(shuō)明現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。由于表面張力的問(wèn)題與日常生活聯(lián)系緊密，所以要求學(xué)生交流日常生活中所見(jiàn)到的表面張力現(xiàn)象，并討論、解釋這些現(xiàn)象。例如，為什么葉面上的露珠呈球形？為什么硬幣能夠浮在水面上？為什么雨天使用布制的傘，雖然傘面能看到紗線之間的縫隙，但卻不漏水。

教材通過(guò)生活實(shí)例引入表面張力，引發(fā)學(xué)生思考。在實(shí)際教學(xué)中要展示大量真實(shí)情境、演示實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)表面張力，形成感性認(rèn)識(shí)，從而讓學(xué)生感知表面張力的存在。學(xué)生已經(jīng)了解分子間作用力特點(diǎn)，當(dāng)分子間距比較大時(shí)，分子間作用力表現(xiàn)為吸引力，從微觀角度解釋表面張力的產(chǎn)生機(jī)理。但學(xué)生對(duì)液體表面層不了解，知識(shí)缺乏，這部分知識(shí)教師要向?qū)W生講解，為學(xué)生用分子間作用力解釋表面張力奠定知識(shí)基礎(chǔ)。

2情境創(chuàng)設(shè)

《普通高中教科書物理選擇性必修第三冊(cè)》第二章第5節(jié)的開(kāi)篇問(wèn)題：在杯子中盛滿清水，將曲別針一枚一枚依次放入杯中，比一比看誰(shuí)放入的曲別針數(shù)量最多，而杯中的水不會(huì)溢出［1］。你能否對(duì)這種現(xiàn)象做出解釋？另有一幅“浮在水表面的水黽”［1］的圖片，形象地展現(xiàn)了液體的表面張力。

根據(jù)以上這些實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)象，筆者在實(shí)際教學(xué)中進(jìn)行了完善和創(chuàng)新。準(zhǔn)備100枚回形針、膠頭滴管和一個(gè)裝了水的燒杯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。提問(wèn)：“回形針能不能漂浮在水面上？”學(xué)生答：“不能?！薄白屛覀儊?lái)試一試，將回形針直接投入水中，看到回形針下沉了，這是為什么呢？”學(xué)生回答：“因?yàn)榛匦吾樀拿芏缺人蟆！薄澳怯袥](méi)有辦法能夠讓回形針漂浮在水面呢？”學(xué)生回答：“讓水的密度變大一點(diǎn)?！惫P者再演示不對(duì)水做任何的改變，將另一枚回形針輕輕地平放在水的表面釋放，我們看到回形針浮在了水面上，并且觀察到水的表面是凹陷的，水被回形針壓彎了（如圖1所示），也沒(méi)有讓回形針沉下去，這是為什么呢？我們先暫時(shí)擱置這個(gè)問(wèn)題，請(qǐng)繼續(xù)實(shí)驗(yàn)?！叭魧⒁淮涡运b滿水，你猜想該水杯還能容納回形針嗎？”學(xué)生答：“不能?！睘榱苏业絾?wèn)題的答案，我們?cè)俅蝿?dòng)手實(shí)驗(yàn)。放一枚回形針，水沒(méi)有溢出，再加一枚，水仍舊沒(méi)有溢出，3枚、4枚……學(xué)生記錄所添加回形針的枚數(shù)和杯表面水的形狀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：直到添加到50枚回形針時(shí)，水也沒(méi)有溢出，但觀察到水的表面凸起，呈橢球形類似一個(gè)凸透鏡的樣子（如圖2所示）。所添加回形針枚數(shù)與放入杯中穩(wěn)定程度有關(guān)［2］。對(duì)比兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：水被壓彎了，回形針也沒(méi)有沉下去；一次性水杯表面呈現(xiàn)一個(gè)橢球形，水卻不散開(kāi)流動(dòng)。上述兩個(gè)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)分別呈現(xiàn)了在表面張力作用下液體表面微微凸起的狀態(tài)和液體具有一定的韌性的現(xiàn)象。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)我們可以進(jìn)行一個(gè)大膽猜想：液體表面可能具有與內(nèi)部不同的性質(zhì)。我們?cè)俅芜M(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，按照教材實(shí)驗(yàn)：觀察肥皂膜和棉線的變化情況。教材提供的演示實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題：（1）用燒紅的針尖刺破液膜，雖然效果不錯(cuò)，但操作起來(lái)比較麻煩，分組實(shí)驗(yàn)開(kāi)展起來(lái)不太方便；（2）普通鐵絲圈拉出的液膜體積小，易揮發(fā)，還未來(lái)得及戳，就已破裂，觀察體驗(yàn)都有一定的不便。

2.1自制皂液膜實(shí)驗(yàn)

改進(jìn)與創(chuàng)新：（1）筆者實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用粉筆代替燒紅的針尖，效果非常好。粉筆的吸水性很強(qiáng)，輕輕一觸就會(huì)造成液膜的破裂，而對(duì)另一側(cè)液膜幾乎不會(huì)造成影響。（2）皂液配制的改變。筆者從玩具泡泡槍和超大肥皂泡表演中獲得靈感，找到了更適合演示表面張力的皂液調(diào)制方法。材料準(zhǔn)備：白糖、洗手液、液體膠、清水。制作的具體步驟：在燒杯容器中倒入半杯水，加入少許白糖，攪拌至全部溶化，然后在溶液中滴入5～8滴液態(tài)膠水，再擠入5～8滴洗手液，調(diào)勻即可。以上的配置可以讓水的揮發(fā)速度變慢，而且液膜的黏滯性也比較強(qiáng)，保持比較長(zhǎng)的時(shí)間也不會(huì)出現(xiàn)破裂的情況。（3）鐵（銅）絲圈的制作。制作配套的鐵（銅）絲圈，用直徑2.0mm的鐵（銅）絲，彎折成直徑20cm的銅圈或20cm×10cm左右的鐵（銅）絲矩形框架；然后將白棉線緊密地纏繞在鐵（銅）絲上（如圖3所示），白棉線的作用是能吸附足夠多的皂液并可以不斷補(bǔ)充到液膜上，這樣可以使液膜存在較長(zhǎng)時(shí)間；然后用一根細(xì)棉線大致沿金屬框半徑方向打結(jié)固定，線長(zhǎng)大于半徑，呈松弛狀態(tài)；另外再做一個(gè)半徑約5cm的棉線圈，置于金屬框內(nèi)部，另一端用細(xì)線打結(jié)拴在金屬框上（如圖4所示）。

實(shí)操演練：用上述鐵（銅）圈浸沒(méi)于皂液后取出，皂液會(huì)在鐵（銅）圈內(nèi)側(cè)形成直徑達(dá)20cm的液膜，中間的細(xì)棉線和中間的棉線圈在液膜內(nèi)呈松弛狀態(tài)。用粉筆尖輕觸棉線任一側(cè)的液膜或中間棉線圈內(nèi)液膜，液膜馬上被戳破，另一邊的液膜或棉線圈外面的液膜收縮，棉線都會(huì)呈現(xiàn)緊繃的狀態(tài)，而且這個(gè)狀態(tài)可以保持1分多鐘。

這一實(shí)驗(yàn)很好地表明液面因張力作用而呈現(xiàn)收縮的趨勢(shì)，棉線繃緊的方向就是液面張力的方向。

2.2與表面張力來(lái)拔河

為了更好地體現(xiàn)液體的表面具有收縮趨勢(shì)，筆者制作了“與表面張力來(lái)拔河”的實(shí)驗(yàn)裝置。

改進(jìn)與創(chuàng)新：制作20cm×10cm左右的鐵絲（銅絲）矩形框架1個(gè)，打孔的吸管穿過(guò)矩形框架作為滑動(dòng)桿，將矩形框架一分為二，吸管可以在框架上自由地移動(dòng)?；瑒?dòng)桿兩端留適當(dāng)長(zhǎng)度，便于手拖動(dòng)。

實(shí)操演示：將滑動(dòng)桿放置在接近矩形框架中間的位置，再整體放入上例配制皂液中，取出后可見(jiàn)2個(gè)矩形液膜。用粉筆戳破任一側(cè)液膜，滑動(dòng)桿立刻被留下來(lái)的液膜拽到另一側(cè)。

用力將滑動(dòng)桿拉到中央位置再次釋放，滑動(dòng)桿又被拽到另一側(cè)。采用上述皂液，以上的拔河拉鋸戰(zhàn)可持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間（如圖5所示）。這個(gè)小實(shí)驗(yàn)妙趣橫生，同學(xué)們興致高漲，將液膜因張力而收縮的性質(zhì)演繹得淋漓盡致。

在本節(jié)教學(xué)實(shí)踐中，筆者在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)過(guò)程等方面進(jìn)行了創(chuàng)新，堅(jiān)持趣味化、簡(jiǎn)單化、生活化的原則，創(chuàng)設(shè)了一個(gè)活潑的問(wèn)題情境。利用生活中常見(jiàn)物品制作教具和學(xué)具，展現(xiàn)了液膜被下壓和液膜被凸起時(shí)所呈現(xiàn)的表面張力，以及表面張力方向等相應(yīng)的物理現(xiàn)象。

3情境分離——表面張力

將知識(shí)從情境中抽象出來(lái)，從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)。針對(duì)露珠呈球形、水黽可“浮”在水面上等現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生“水膜”有向內(nèi)收縮趨勢(shì)且緊繃的感性認(rèn)識(shí)，再?gòu)奈⒂^角度對(duì)表面層和液體內(nèi)部分子受力情況進(jìn)行分析。為了解決學(xué)生對(duì)“法向力”和“切向力”的認(rèn)知矛盾，教師在教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到液體分子的動(dòng)態(tài)變化：液體分子對(duì)表面層分子的吸引力大于氣體分子，合力表現(xiàn)為向下的凈吸力，表面層分子有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，故表面層分子稀薄，分子間產(chǎn)生引力，引力方向和表面層相切，宏觀上表現(xiàn)為表面張力。也就是說(shuō)，表面張力永遠(yuǎn)和液體表面相切，但由于凈吸力的存在，液體表面同時(shí)具有向內(nèi)收縮的趨勢(shì)。經(jīng)上述模型分析，學(xué)生基本能夠應(yīng)用理論知識(shí)解釋課堂所有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)從感性認(rèn)識(shí)階段跨越到了理性認(rèn)識(shí)階段。

4情境回歸與拓展

4.1情境回歸

課堂結(jié)束前再對(duì)開(kāi)篇的“水黽情境”的現(xiàn)象進(jìn)行解釋，設(shè)計(jì)階梯式問(wèn)題，層層引導(dǎo)學(xué)生利用本節(jié)課知識(shí)作示意圖，對(duì)“水黽浮在水面上”做出解釋。作圖關(guān)鍵在于學(xué)生能否認(rèn)識(shí)到水黽是不浸潤(rùn)的，從而判斷表面張力方向。

4.2情境拓展

太空微重力環(huán)境下，表面張力的作用效果更為明顯。通過(guò)進(jìn)行天地實(shí)驗(yàn)對(duì)比，學(xué)生能更加全面地認(rèn)識(shí)表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象。安排學(xué)生完成以下地面科普實(shí)驗(yàn)后，對(duì)太空相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)，檢測(cè)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和遷移能力。

4.2.1實(shí)驗(yàn)一：水滴實(shí)驗(yàn)

這是最簡(jiǎn)單的表面張力實(shí)驗(yàn)之一，我們只需要一滴水和一張平板玻璃即可。將平板玻璃傾斜，讓水滴從玻璃上滑落，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)水滴在滑落的過(guò)程中會(huì)變成橢圓形，而不是圓形。這是因?yàn)樗伪砻鎻埩Φ淖饔檬沟盟卧诨涞倪^(guò)程中盡可能地減少表面積，從而形成橢圓形。

4.2.2實(shí)驗(yàn)二：水面膜實(shí)驗(yàn)

這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要一些特殊的材料，比如說(shuō)一張細(xì)網(wǎng)狀的金屬片或者一根細(xì)細(xì)的針。將金屬片或者針輕輕地放在水面上，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它們不會(huì)立即沉下去，而是浮在水面上，這是因?yàn)樗嫔系姆肿娱g相互作用力比水下的分子間相互作用力要強(qiáng)，從而形成了一個(gè)水面膜。這個(gè)實(shí)驗(yàn)也可以用來(lái)演示水面張力的大小，因?yàn)槲覀兛梢酝ㄟ^(guò)改變金屬片或者針的形狀和大小來(lái)觀察水面膜的變化。

4.2.3實(shí)驗(yàn)三：水滴競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)

這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要兩個(gè)水滴和一張平板玻璃。將兩個(gè)水滴放在平板玻璃上，讓它們靠得很近，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它們會(huì)互相靠近，最終合并成一個(gè)更大的水滴。這是因?yàn)閮蓚€(gè)水滴之間的表面張力比水滴和空氣之間的表面張力要強(qiáng)，從而使得它們互相靠近。這個(gè)實(shí)驗(yàn)也可以用來(lái)演示表面張力的大小和液體的流動(dòng)性質(zhì)。

4.2.4實(shí)驗(yàn)四：肥皂泡實(shí)驗(yàn)

這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要一些肥皂水和一個(gè)肥皂泡棒，將肥皂泡棒蘸入肥皂水中，然后吹出一個(gè)肥皂泡，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)肥皂泡的表面非常光滑，而且可以飄浮在空氣中。這是因?yàn)榉试砼莸谋砻鎻埩Ρ瓤諝獾谋砻鎻埩σ獜?qiáng)，從而使得肥皂泡可以保持穩(wěn)定的形狀。這個(gè)實(shí)驗(yàn)也可以用來(lái)演示表面張力的大小和液體的流動(dòng)性質(zhì)。

4.2.5實(shí)驗(yàn)五：倒置不漏水的水杯實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)器材及制作：透明玻璃杯、鐵絲網(wǎng)、玻璃板、清水，用鐵絲網(wǎng)封口裝有水的透明玻璃杯。實(shí)驗(yàn)原理：將倒置的液體表面細(xì)化為無(wú)數(shù)個(gè)小的液面，每一個(gè)小液面受到小液柱的彈力作用，而鐵絲網(wǎng)無(wú)法對(duì)小液面提供支持力，由于液體的表面張力作用，液體的表面產(chǎn)生了輕微的變化，為小液柱提供豎直向上的彈力，因此倒置的玻璃瓶里的水無(wú)法溢出。設(shè)計(jì)意圖：清水不會(huì)從沒(méi)有密封的倒置的玻璃杯溢出，與學(xué)生的認(rèn)知相沖突，這樣能夠引起學(xué)生的興趣，并探究其形成的原理，這也可以作為實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入新課的一種方式。具體實(shí)驗(yàn)步驟和現(xiàn)象：（1）將一小部分的清水倒進(jìn)玻璃杯，輕輕地把它傾斜，使得水能夠順著鐵絲網(wǎng)自然而然地溢出。（2）將少量的清水倒入玻璃杯中，然后用玻璃板將其封口。（3）迅速倒置玻璃杯。（4）移除玻璃板，水將無(wú)法通過(guò)鐵絲網(wǎng)溢出。生活中的應(yīng)用：通常風(fēng)油精瓶的開(kāi)口偏窄，它就如同上述實(shí)驗(yàn)所用的網(wǎng)格那般小，形成的液柱在倒置后由于液體表面張力而不會(huì)滴落，這樣也有助于降低其蒸發(fā)速度。這種現(xiàn)象雖微不足道，卻廣為人知。

通過(guò)這些簡(jiǎn)單的科普小實(shí)驗(yàn)，我們可以更好地理解表面張力的概念和特性，表面張力不僅是一種物理現(xiàn)象，也是一種重要的生物現(xiàn)象。在自然界中，許多生物體都利用表面張力來(lái)完成各種各樣的生物功能，比如，水生昆蟲(chóng)可以在水面上行走；水鳥(niǎo)可以在水面上滑翔；植物的根系可以通過(guò)表面張力吸收水分和養(yǎng)分等。因此，深入研究表面張力的特性和應(yīng)用，對(duì)于我們更好地理解自然界和開(kāi)發(fā)新的科技產(chǎn)品具有重要的意義。

結(jié)語(yǔ)

物理實(shí)驗(yàn)課為學(xué)生提供豐富的感性的素材，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察與分析，加深了同學(xué)們對(duì)物理原理的理解，提高同學(xué)們的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，激發(fā)了同學(xué)們對(duì)未知領(lǐng)域的求知與探索熱情，這是我們教師最期望看到的結(jié)果。

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項(xiàng)目基金：本文為2023年度湖南省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃課題《高中物理實(shí)驗(yàn)課程資源的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究》階段性研究成果，課題編號(hào)：ND233319

作者簡(jiǎn)介：譚石泉（1975—），男，漢族，湖南湘潭人，本科，中學(xué)高級(jí)，研究方向：高中物理教育教學(xué)。