物理教科书名著精华|Landsberg(1)

百科   2024-11-27 20:33   广东  

兰斯别格院士主编的初等物理教科书第一卷第12章,讲“液体的性质”。

第1节介绍完液体的结构后,第2节开始介绍液体的表面能。许多人都听说过液体的表面张力吧?表面张力就是单位表面积上的能量

作者首先简单解释,研究液体性质,为什么要从液体表面的现象开始。接着,用两个熟悉又奇妙的日常现象,引起学习者对于所讲主题的兴趣。

现象1:(孩子们知道)用沙子建“城堡”,要用湿沙子。干沙子粘不到一起。可是,在水中,沙子的颗粒也粘不到一起。

现象2:当人潜入水中时,头发会在水中向四面八方散开。可是,只要将脑袋从水中钻出,头发就会紧贴着头皮粘在一起。

作者三言两语,就向我们揭示出这两种最熟悉的日常现象中包含的“矛盾”。接着问:怎样解释这两种现象?回答:沙粒与头发粘在一起,是由于环绕沙粒与头发的水分子之间存在粘合力。

那么,为什么当沙子或头发位于水下时,这种粘合力不会表现出来呢?解释非常简单。从下图可以清楚看出,水内部远离表面的水分子,受到的来自其它水分子的吸引力互相抵消;而位于表面的水分子,会受到将它拉向液体内部的合力。所以,液体表面附近的水分子,其势能比内部水分子的势能要大。(老贾:这就如同,地球表面附近的物体,受到向下的重力,所以,物体在高处的势能比在低处的势能大。)这里的势能与表面积大小成正比,所以称为表面能

地球表面的物体,受到向下的力,所以总是呆在尽可能低处;与此类似,液体表面的分子,受到把它拉向液体内部的力,因此,液体所采取的形状,总是让液体表面积尽可能减到最小。

接着举出液体减小自己表面积的各式各样的现象。这些现象都非常精彩。

1. 小的液滴都是球形的。比如,在水平玻璃板上的小滴水银,在红热的板上喷溅的水滴(炒菜时,或锅里烧干水时可注意到这现象),尘土路上的雨滴。相同体积的物质,当采取球形时,表面积最小。这里液滴为什么必须很小呢?因为液体受到重力,如果液滴很大,重力会把液体向下拉;如果液滴很小,重力的效应就可以忽略。接着指出,在失重条件下,重力不会妨碍液体减小自己的表面积,这时,即使是很大“滴”的液体,也可以采取圆球形状(宇宙飞船中的人可以表演这个现象)。

2. 蜂蜜从勺中流下来时,如果蜂蜜的“丝”变得太细,会突然断掉,快速向上升起,形成一个圆球。它这也是在减小自己的表面积。

3. 玻璃管破碎时会产生尖锐的边缘,把玻璃尖拿到火焰上烤,玻璃会变软 (类似液体),收缩成球状。

4. 在金属环上系一根细线(如图那样),并让金属环上形成一层肥皂膜,只要细线两边的肥皂沫都是完整的,细线就会是松垮垮的。如果把一边的肥皂沫扎破,另一边的肥皂膜立刻会减小自己的面积,将细线绷紧。

肥皂泡为什么是球形?因为它在包住里面的空气的同时,要将自己的面积减小到最小。

为什么湿头发会互相粘到一起?因为,当它们互相粘到一起时,围着头发的水的表面积最小。假如湿头发互相分开,围着头发的水的表面积要大大地增加。液体表面积总是尽可能最小,就像地面附近的物体总是尽可能呆在低处。湿头发会粘到一起,就像放在碗里的东西会停在碗底一样。

在以上现象中,液体表面都是与空气相接触。如果液体是与另一种液体(当然两种液体要互不相溶)接触呢?类似的现象还会发生。作者举了两个例子。

1. 将一大滴苯胺加到盐水中,通过仔细调节盐水的浓度,可以让苯胺在盐水中既不下沉,也不上浮,这时候,苯胺的重力与所受的浮力恰好互相抵消。会看到,盐水中的苯胺形成一标准的圆球。

2. 在表面皿上倒一些稀硝酸,用移液管把许多小滴水银滴加到硝酸中,会看到,水银小滴会(渐渐)合并在一起,形成单独一大滴水银,它的表面积比许多小滴的表面积要小。

以上就是兰斯别格第一卷第12.2节“表面能”的内容。像在这套书中的其它地方一样,作者在这里,带我们接触了许多美妙的实际现象。我很不喜欢那种物理教科书,它们主要教给我们一堆名词和概念,却不注意向我们介绍有关的自然或实验现象。我想:物理学是自然科学,它首先应当引导我们与自然本身相接触,对吧?兰斯别格这套教科书有无数优点,其中一个突出的优点就是,它用丰富多样的自然与实验现象,来说明每个原理,而且,它对有关现象的描述,非常细腻生动,让人读的时候觉得“如在目前”。

我还想指出一点。上面介绍的现象,除了盐水中的苯胺之外,都是很普通的,毫不吸引眼球。可是,当我们领会到,它们都是同一个原理在不同情况下的表现时,我们就会感觉到它们蕴含的美妙了,因为我们现在理解了它们。法拉第说的好:自然或实验现象最美妙的地方,不在于它们的炫目或出人意料,而在于它们都服从严格的规律,人们能够理解它们。


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