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本文是本學(xué)期的核心通識課程“演示物理學(xué)”課上的優(yōu)秀課程作業(yè)，作者是經(jīng)濟學(xué)院2015級本科生袁夢雨,。 下雨天常能看見滴落在水洼中的雨滴,。有時候它會濺起水花，泛起漣漪,；有時候如果觀察仔細的話甚至能看到在水面上彈跳的水滴,。本文試通過實驗，真實模擬水滴入水的整個過程,，分析水滴接觸水面的慢動作,，探究該過程的一些基本性質(zhì)，以及在不同條件下可能會導(dǎo)致的不同結(jié)果。 優(yōu)秀作業(yè) 水滴入水過程的探討與思考 袁夢雨 北京大學(xué)經(jīng)濟學(xué)院 一 實驗的目的與意義 本文旨在通過進行一些簡單的實驗,，呈現(xiàn)水滴入水的整個過程,，并解釋在這個過程中的一些現(xiàn)象，探究水滴接觸水面的基本性質(zhì),，以及在不同的實驗條件下可能產(chǎn)生的不同結(jié)果,。 二 實驗背景 日常生活中，我們經(jīng)常能見到水滴接觸水面的場景,。最常見的就是在下雨天的時候,，水滴濺落在水洼中，有時候會產(chǎn)生很漂亮的圖案,。也就是說,，當水滴在水面上的時候，并不是直接融入其中,，而是依舊會有一個漂浮的過程,。 其實除了雨滴，還有一些別的情況下也可以產(chǎn)生這個現(xiàn)象,。例如,，用手指按固定的頻率輕彈礦泉水瓶，水面可以出現(xiàn)駐波,，當波動達到一定程度的時候就會有一些水滴自己跳出水面漂在礦泉水上,。洗碗的時候，如果仔細觀察,，會發(fā)現(xiàn)使用洗潔精后,，水龍頭沖下來的水珠落在碗內(nèi)是漂浮的。此外,，向有油的湯內(nèi)滴入水滴,，用內(nèi)部氣壓大于大氣壓的環(huán)境做同樣的實驗等,，都能很明顯的發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象,。 這一現(xiàn)象可以用表面張力很好的進行解釋,表面張力具體來說就是液體表面任意相鄰部分之間垂直于它們的單位長度分界線相互作用的拉力。水滴入水正是這一原理的體現(xiàn),。 本文將通過幾個實驗,，呈現(xiàn)水滴入水過程中表面張力的存在，探究在不同條件下表面張力的基本性質(zhì),，以及對整個入水過程產(chǎn)生的影響,。 三 實驗原理 在水滴接觸水面的過程中，水滴可以在水面跳動而不會立刻融進去,，是因為水滴和水面之間有著薄薄的一層空氣膜分隔著它們,。研究表明，水滴落入水面的過程不像大家經(jīng)常認為的，是水滴直接融入到水里那么簡單,，而是更加復(fù)雜的過程,。 麻省理工學(xué)院著名教授John Bush曾做過相關(guān)實驗,在高速攝像機的鏡頭下，他發(fā)現(xiàn)在有空氣膜存在的情況下,，水滴在水面上就像小朋友在蹦蹦床上一,，彈上彈下；當能量消耗完之后,，水滴就會靜止在水面上,，空氣層的厚度慢慢變薄，直到水滴和水面直接接觸,，這時水滴會突然融入水面并產(chǎn)生新的一個小水滴,，小水滴會向上彈起，然后再重復(fù)之前的過程,。 就這樣,，一個水滴融入水面之后，它的一部分會形成一個新的小水滴,，而這個新的小水滴在融入水面的時候會再形成一個更小的水滴,。這樣的過程會連續(xù)發(fā)生幾次，直到水滴小到可以直接融入水面,。 在這個過程中,，表面張力起到了重要作用。雖然水分子和水分子之間總是存在著相互作用,，但在水的內(nèi)部,，由于四周都是同樣的水分子，這種相互作用平均起來是零,。但是在水和空氣的表面上,，水分子的密度相對較小，分子和分子之間的距離較大,，分子所受的作用力主要為吸引力,，其合力垂直于表面指向水的內(nèi)部。因此水的表面就像橡皮膜一樣有著彈性,，總是想達到表面積最小的狀態(tài),，這就叫做水的表面張力。正是由于水的表面張力,，無風(fēng)時的水面會保持平靜,，小蟲子能夠在水面上爬來爬去,落下的水滴會保持著接近球形的樣子。 而表面張力也不是一成不變的,，諸多因素都會影響到表面張力的大小,。 1 分子間相互作用力的影響 對純液體或純固體,，表面張力決定于分子間形成化學(xué)鍵能的大小，一般化學(xué)鍵越強,，表面張力越大,。 兩種液體間的界面張力，介于兩種液體表面張力之間,。 2 溫度的影響 溫度升高,，表面張力下降，當達到臨界溫度TC時,，界面張力趨于零,。從分子觀點看，這是由于溫度上升時液體內(nèi)分子的熱運動加劇,，分子間距離加大,，密度減少，從而減弱了對表面分子的引力,；而氣體因為溫度提高,，密度增加，對表面分子的引力也增加,，兩種效應(yīng)都使表面張力下降,。 3 壓力的影響 表面張力一般隨壓力的增加而下降。因為壓力增加,，氣相密度增加,，表面分子受力不均勻性略有好轉(zhuǎn)。另外,，若是氣相中有別的物質(zhì),，則壓力增加，促使表面吸附增加,，氣體溶解度增加,，也使表面張力下降。 壓力對表面張力的影響還可從以下三方面進行考慮： a. p增加,，兩相間密度差減少,，γ減小。 b. p增加,，氣體在液體表面上的吸附使表面能降低（吸附放熱）,，因此γ減小,。 c. p增加,，氣體在液體中的溶解度增大，表面能降低,。 以上三種情況均表明,，p增加，γ減小。 四 實驗的儀器和材料 空塑料瓶（透明）一個,，零度雪碧一瓶,，滴管一個，水若干,，洗潔精若干,， 油若干，單反一臺,。 五 實驗的內(nèi)容及現(xiàn)象及結(jié)果分析 1 水滴入水 1,、內(nèi)容 運用器材準備好如下裝置:  圖 1-1 水滴入水裝置圖 其中,瓶內(nèi)裝有的是冷水，每次使得水滴在瓶口上方同一高度以初速度為零的條件自由下落,。用單反相機抓拍水滴入水的過程,。 2、現(xiàn)象  圖 1-2 水滴入水現(xiàn)象圖 實驗過程中,，可以觀察到在水滴融入水面的時候,水滴的下端先和水面接觸,， 并且接觸面積不斷增大；接著,，水滴里面大部分的水被擠到下面的水里,，水滴也慢慢變“瘦”，而水滴和液面相連的地方逐漸變小直到成為一個點,，從而把一部分原來水滴的水分割出來,；當這個點斷開之后，這部分水形成的小水滴被彈了起來,。 3,、結(jié)果分析 被彈起來的小水滴很好的說明了表面張力的存在以及在這個過程中發(fā)揮的作用。從拍到的圖像來看,，水滴被彈起的高度較低,，且整個持續(xù)時間較短。（由于可使用的儀器有限,，所以整個實驗只能進行定性分析） 2 水滴入表面漂有油的水 1,、內(nèi)容 運用器材準備好如下裝置:  圖 2-1 水滴入油水裝置圖 在裝有水的瓶內(nèi)倒入少量油，使得油能夠恰好覆蓋住水的表面,。每次使得水滴在瓶口上方同一高度以初速度為零的條件自由下落,。用單反相機抓拍水滴入油水的過程。 2,、現(xiàn)象  圖 2-2 水滴入油水現(xiàn)象圖 準備好裝置后,，往表面鋪有油層的水中滴入水滴，可看到,，液滴被油層彈起,；而后下落,，但下落的液滴一直沒有消失，始終保持懸浮狀態(tài),。 3,、結(jié)果分析 在原理分析中我們曾提到，表面張力的大小和分子間相互作用力有關(guān),。油的密度比水要小,，分子間相互作用力更弱，表面張力更小,。所以液滴在油中待的時間更長,。 同時，通過這個實驗我們也可以看到,，被彈起來的液滴不再是原來的水滴,，而是外面被油包裹著的液滴。也就是說,，在液滴被彈起時,，并不是簡單的在原來的水滴上剝?nèi)ヒ粚佣纬傻模嗽瓉淼牟糠炙我约坝退械牟糠帧?nbsp; 3 水滴入表面漂有洗潔精的水 1,、內(nèi)容 運用器材準備好如下裝置：  圖 3-1 水滴入洗潔精水裝置圖 往盛有水的瓶內(nèi)滴入適量洗潔精,，使兩者混合充分。每次使得水滴在瓶口上方同一高度以初速度為零的條件自由下落,。用單反相機抓拍水滴入洗潔精水的過程,。 2、現(xiàn)象  圖 3-2 水滴入洗潔精水現(xiàn)象圖 向洗潔精水中滴入水滴,，液面先向下凹,，接下來彈起液滴?；芈涞囊旱卧谙礉嵕砻婢S持水滴形態(tài)較長時間,，幾秒后消失。 3,、結(jié)果分析 洗潔精中的化學(xué)物質(zhì)含有憎水基（各種烴基）和親水基（羧基）,，當洗潔精進入水中時，具有極性的親水部位,，會破壞水分子間的吸引力而使水的表面張力降低,。因此使得液滴能在水中待的時間較長。 4 敲擊不同壓強下的瓶中液體 1,、內(nèi)容 準備好兩個柱形塑料瓶,。一個瓶內(nèi)裝有半瓶水，另一個瓶內(nèi)為半瓶零度雪碧（零度雪碧中添加物質(zhì)較少,可視為充有二氧化碳的水）,。 搖晃零度雪碧,，使瓶內(nèi)氣壓高于另外一個裝置中的氣壓,。用物體分別敲擊兩個瓶身,，觀察敲出的水珠落在液體表面直至消失的時間,。 2、現(xiàn)象 敲擊瓶身后,，可以觀察到,，零度雪碧中落下的水滴持續(xù)時間明顯比另一裝置內(nèi)的水滴長。 3,、結(jié)果分析 搖晃零度雪碧時,，會使溶于雪碧中的二氧化碳部分釋放出來，因此使得瓶內(nèi)氣壓高于大氣壓,。而兩個瓶子基本相同,，瓶內(nèi)裝有的液體量也基本相同，因此受力面積相同,，于是零度雪碧內(nèi)的壓力大于另一裝置內(nèi)的壓力,。 正如在原理分析中所提到的，壓力越大,，表面張力越小,。所以在零度雪碧中的液滴能持續(xù)的時間也就更長，驗證了上述了原理,。 六 結(jié)論與反思 本文從生活中的常見現(xiàn)象“下雨”著手,，探討了水滴入水的整個過程。通過對原理的分析,，了解了表面張力在這個過程中所起到的支配作用,。為了驗證不同因素對表面張力的影響，進而產(chǎn)生的對水滴入水的影響,，因此做了一系列的對比實驗：水滴入水,，水滴入油水，水滴入洗潔精水,，觀察不同壓強下的水滴的融入情況等,。通過對不同實驗條件下的實驗現(xiàn)象的分析，檢驗了原理中影響表面張力的諸多因素,，也加深了對實驗的進一步了解,。 但是，本實驗也存在很多問題,。由于實驗條件和設(shè)備的限制,，無法做定量分析，只能淺顯地做一些定性分析,，所以沒有真正了解到實驗的最根源與本質(zhì),。同時,，原先的一些設(shè)想在實際中也無法實現(xiàn)。本來是想要在不同壓強下研究水滴入水后產(chǎn)生的水花差別,，但是卻沒有不同壓強的實驗環(huán)境,。對于影響表面張力的溫度這一因素，其實也進行了相關(guān)實驗,。但由于照相機不夠靈敏,，不同溫度下的實驗結(jié)果幾乎相同，因此在正式的實驗報告中刪去了這一部分,。此外,，由于之前基本上從未了解過相關(guān)領(lǐng)域，所以查閱到和思考到的東西也十分有限,。希望今后能更多的了解物理,，思考物理。 參考文獻 [1] Couder Y,Fort E,Gautier C-H,Boudaoud A. 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