硬幣浮在水面上的奧秘

(江蘇省南京外國(guó)語(yǔ)學(xué)校仙林分校,江蘇 南京 210023)

硬幣浮在水面上的有趣現(xiàn)象引起了很多同學(xué)的探究興趣，然而由于測(cè)量受力因素的儀器不容易獲得或參數(shù)測(cè)量困難，常常導(dǎo)致對(duì)這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)不夠深入和全面。

關(guān)于硬幣浮在水面上的原因，一般將其解釋為水的表面張力的作用，而忽略了其他作用力的貢獻(xiàn),缺少進(jìn)一步的深入分析。一些文獻(xiàn)中所用的儀器不容易得到，因而影響對(duì)這個(gè)有趣實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和分析。筆者將5分硬幣浮于水面，借助攝影技術(shù)獲得清晰的照片，直接進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量，對(duì)各項(xiàng)受力進(jìn)行了計(jì)算和分析，對(duì)硬幣浮在水面這一現(xiàn)象有了更加全面和深入的認(rèn)識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將一枚5分硬幣分別用二氯甲烷和無(wú)水乙醇洗滌30分鐘，以充分除去硬幣表面的污垢，然后在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱60℃的溫度條件下干燥1小時(shí)，用分析天平測(cè)量質(zhì)量，用電子游標(biāo)卡尺測(cè)量硬幣的直徑和厚度。

用不銹鋼鑷子將一枚清洗干凈的5分硬幣放到盛有自來(lái)水的透明玻璃缸中的水面上，使其浮起。待硬幣在水面上穩(wěn)定后，用相機(jī)從硬幣的正上方和側(cè)面分別拍照。獲得照片后，用量角器測(cè)量照片上硬幣周?chē)鷥A斜液面和水平線(xiàn)之間的角度，用刻度尺測(cè)量水平液面與硬幣下表面之間的間距(圖1)。

圖1

實(shí)驗(yàn)中所用到的一些重要參數(shù)如下：25℃下水的表面張力系數(shù)σ=70.3×10-3N/m，水的密度ρ=1.0×103kg/m3，重力加速度g=9.8N/kg。測(cè)得5分硬幣的直徑d=23.9×10-3m,厚度h=1.73×10-3m,質(zhì)量m=1.6×10-3kg。

2 受力分析

能夠讓5分硬幣浮在水面上，除了水的表面張力外，必然還有另外的支持力，通過(guò)觀察拍攝的照片，可以看到硬幣并沒(méi)有完全浸沒(méi)在水面以下，而是將水面壓彎，形成一個(gè)凹形曲面(圖1、圖2),所測(cè)的夾角和文獻(xiàn)[1]估算的結(jié)果非常接近。這個(gè)凹形曲面存在著上下高度差，因此會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上的壓強(qiáng)，這個(gè)壓強(qiáng)作用在5分硬幣的下表面，形成了一個(gè)垂直向上的力Fp。

圖2

通過(guò)對(duì)表面張力和水面夾角的測(cè)量，可以精確地計(jì)算出表面張力對(duì)硬幣浮在水面上的貢獻(xiàn)率。測(cè)得照片上水面距硬幣下表面的距離，就可以計(jì)算出水對(duì)硬幣的向上壓力Fp。

圖3

3 結(jié)語(yǔ)

筆者巧妙利用透明玻璃缸，將5分硬幣浮于水面，從正上方和側(cè)面對(duì)硬幣分別進(jìn)行拍攝，獲得了清晰的照片，從所獲得的圖片上測(cè)出必要的數(shù)值，即表面張力和水平面之間的夾角、水平面到硬幣下表面之間的距離，計(jì)算出了二者各自對(duì)硬幣浮在水面上的貢獻(xiàn)率。所用方法簡(jiǎn)單，避免使用復(fù)雜的儀器測(cè)量，能夠加深學(xué)生對(duì)這個(gè)物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。