水为何在漏网上悬浮

本期点评专家

张永强  正高级教师，特级教师，湖南省十佳科技教师。科普中国2021年度十大科普人物奖获得者，全国校园发明创意大赛、湖南省青少年科技创新大赛、湖南省创新编程与智能设计大赛、湖南省科学调查体验活动评审专家组成员。

夏日时节，可以看到水黾在水面自在滑行的身影。然而，不慎落入水中的蚊子则会快速溺亡。这是为什么？

当向有漏网的水瓶装水时，我们发现瓶子未装满水，水却悬浮在漏网上。为什么水会在漏网上停留？这一现象与什么因素有关？

带着一连串疑问，我们展开了探究。

一、研究意义

首先，研究水的表面张力有助于我们理解液体物理性质的本质，更深入地了解液体分子间的相互作用力以及液体表面的特性。

其次，表面张力在日常生活、工业生产等领域应用广泛，研究水的表面张力具有重要的实际应用价值。例如，在洗衣服的过程中，表面张力能助力洗涤剂更好地渗透衣物纤维，提高洗涤效果。在生物学、医学及微循环系统中，表面张力也发挥着重要的作用。

二、研究过程

（一）实验一：漏网实验

1.实验过程

将200 mL清水快速倒入有漏网的瓶子中，可以看见一层薄薄的水膜悬浮在漏网上。将漏网取下，水又快速地从漏网流入水瓶中。重复以上步骤2～3次能看到，漏网小孔处有轻微的凸起，且漏网上有水膜存在。

这证明，水膜出现在漏网上并非偶然。为何会出现这种现象？

2.原因分析

水的表面张力源于液体表面层分子间存在特殊的相互作用力，这种力趋向于使液体表面积最小化。在液体与空气界面，由于分子所受环境的不对称性，表面层分子相对内部分子更稀疏，从而表现出一种向内收缩的趋势，即表面张力。例如，一滴水落在干燥桌面上呈球形，正是表面张力作用的结果。当大量水涌入瓶中时，水分子间的吸引力不仅体现在水体内，还在水与容器的接触面上形成一层紧密的水膜，阻止了水的迅速流失。特别是当水流经细密网状结构如漏网时，表面张力的作用更显著，使水膜能够维持形态，减缓或阻止水直接渗透流下。

（二）实验二：探究影响水的表面张力大小的因素

1.实验过程

取等量的热水和冷水分别倒入同一规格的不同水杯中，取一枚回形针置于小纸片的前端，观察回形针在不同温度的水表面层的运动情况。记录并重复5次以上操作。再按上述步骤用10 ℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70 ℃的水重复做5次。

2.实验结果及分析

实验结果表明，回形针上浮次数和上浮数量，都随着水温的升高而减少。这证明，表面张力受水温的影响，且在一定范围内随着水温升高而减小。在一定范围内，温度与分子运动剧烈程度成正相关。

（三）实验三：探究表面张力对物体运动的影响

1.实验过程

将水倒入盆中，待水面静止后将方形泡沫板放入其中直至停稳。用玻璃棒蘸取适量肥皂水点在方形泡沫板后方，很快可以看到方形泡沫板快速地向前运动，一段时间后渐渐停下。

2.实验分析

这一现象的出现，是因为肥皂水减小了水的表面张力，而方形泡沫板前方的水保持着较大的表面张力。根据虹吸原理，方形泡沫板前方的水会吸引其后方的肥皂水，从而推动方形泡沫板向前运动。

之后肥皂水逐渐扩散，方形泡沫板前后的表面张力差异减小，推动力减弱，方形泡沫板恢复静止状态。

实验结果表明，表面张力与液体的性质有着密切的关系。方形泡沫板所受力的大小与两端的表面张力差值呈正相关。

（四）实验四：探究表面张力与附着层的关系

1.实验过程

将水滴在载玻片和塑料片上可发现，水珠在塑料片上呈珍珠状，而在载玻片上则较扁平。

将水倒入一次性塑料杯和玻璃量筒中，可以在玻璃量筒中观察到水面呈向内凹陷的状态，在塑料杯中则呈中间凸起、两边凹陷的状态。

2.实验分析

当水与塑料、玻璃等附着层接触时，如果附着层对水的附着力较小，水的表面张力就会占据主导地位，使水呈现中间凸起、两边凹陷的形状，这是为了让水的表面积最小化，从而降低表面能。

由于玻璃对水的附着力较大，这种附着力能部分抵消表面张力的作用，因此水虽然向内凹陷，但凹陷的程度相对较小。而塑料对水的附着力较小，使得表面张力的作用更加明显，因此水呈现较明显的中间凸起、两边凹陷的形状。

三、结论及讨论

通过上述实验，我们探讨了水为何能在漏网上悬浮的现象，这一发现不仅揭示了水的表面张力的奥秘，还进一步验证了其受多种因素影响的特性。

首先，实验结果表明，水的表面张力是导致这一现象的关键所在，其在液体与气体接触的边界部分尤为显著。当水快速进入装有漏网的瓶子时，表面张力使水分子在漏网表面形成一层紧密的水膜，减缓了水的渗透速度，造成了水悬浮在漏网上的视觉效果。

其次，实验还发现水的表面张力与水温密切相关。随着水温的升高，水分子运动加剧，分子间的吸引力相对减弱，导致表面张力减小。这一现象在实验二中通过回形针在不同温度水面的上浮次数得到了直观验证，进一步加深了我们对温度如何影响表面张力的理解。

此外，实验三和实验四分别探究了表面张力对物体运动的影响及其与附着层的关系。这些实验不仅丰富了我们对表面张力作用机制的认识，也展现了表面张力在日常生活和科学研究中的应用潜力。

未来，我们还将进一步探索表面张力的其他影响因素和应用场景，为科学研究和技术创新贡献更多智慧和力量。（指导老师：谭艳萍   李恪芳   郑奖   雷玉梅   邓新武）

专家点评

作者对水的表面张力进行了深入研究，选题具有明确的科学性和实用性。作者通过细致的实验设计和观察，深入探讨了水的表面张力现象，并在研究中提出了有价值的观点和结论。实验设计巧妙，观察细致入微。论文语言表达清晰流畅，逻辑结构严谨，使读者能轻松理解作者的研究思路和方法。

建议作者在今后的研究中可以进一步加强对实验数据的分析和解读，挖掘更多潜在的影响因素，并深入探讨这些因素对表面张力的具体作用机制。在讨论部分可以结合更多领域的应用案例，以展现表面张力研究的广泛性和实用性。

（栏目编辑  秦银银）