吳柳燕 張殷

摘 要：關(guān)于夾層有水的兩面鏡子難以分開(kāi)的原因，學(xué)生有不同的想法。本研究通過(guò)一系列的探究實(shí)驗(yàn)，借助抽氣盤(pán)、DIS力傳感器等裝置尋找證據(jù)，對(duì)不同的觀點(diǎn)進(jìn)行論證，展示了一個(gè)抽絲剝繭、逐漸逼近真相的真實(shí)探究過(guò)程。

關(guān)鍵詞：鏡子；傳感器；DIS

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）11-0068-3

在一面鏡子上灑些水，然后把另一面鏡子蓋上去，發(fā)現(xiàn)很難將這兩面鏡子沿垂直鏡面的方向分開(kāi)（如圖1），造成此現(xiàn)象的原因眾說(shuō)紛紜。

1 問(wèn)題的緣起

在一次探究課上，筆者拋出了這個(gè)問(wèn)題，學(xué)生主要的觀點(diǎn)有：

觀點(diǎn)1：“分子間作用力”。

觀點(diǎn)1認(rèn)為是水分子與鏡面玻璃分子之間的引力在起作用，與大氣壓力無(wú)關(guān)。并且總是用常見(jiàn)的物理現(xiàn)象——將玻璃板從水面上提起時(shí)，需要的拉力比玻璃板的重力大為例來(lái)進(jìn)行比對(duì)說(shuō)明[1]。

觀點(diǎn)2：“大氣壓力”。

觀點(diǎn)2認(rèn)為是大氣壓把鏡子壓在一起的，與分子間作用力無(wú)關(guān)。這種觀點(diǎn)認(rèn)為用力向外分開(kāi)鏡子時(shí)，兩鏡子間的距離被拉大，夾層內(nèi)的水與鏡子的接觸面積隨之減小。在水表面張力的作用下，兩面鏡子的夾層之間會(huì)形成一些由水與外界隔開(kāi)的、沒(méi)有空氣的“真空帶”，由于大氣壓非常大，1 cm2面積上的大氣壓力約為10 N，相當(dāng)于1 kg物體的重量。此時(shí)，分子間的作用力非常小，幾乎起不到阻礙兩面鏡子分開(kāi)的作用。

觀點(diǎn)3：“分子間作用力”與“大氣壓力”共同作用。

觀點(diǎn)3認(rèn)為夾層有水的兩面鏡子難以分開(kāi)的原因既有“分子間的作用力”的影響，也有“大氣壓力”的影響。這兩種原因都存在，但是誰(shuí)是最主要的影響因素就難以解釋清楚了。

接下來(lái)，就通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明這三個(gè)觀點(diǎn)究竟誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 降低氣壓的實(shí)驗(yàn)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）兩面鏡子中間加水合上后，用繩子將它們水平懸掛于抽氣盤(pán)罩子上，蓋上真空罩將抽氣盤(pán)密封好（如圖2）。

（2）將抽氣盤(pán)與抽氣泵連接后，打開(kāi)抽氣泵對(duì)抽氣盤(pán)抽低壓，抽氣泵參數(shù)如表1。

（3）當(dāng)抽氣泵對(duì)抽氣盤(pán)抽低壓的時(shí)間達(dá)到31 s時(shí)，下面的鏡子由于重力的作用而墜落下來(lái)。（如圖3）

雖然這個(gè)實(shí)驗(yàn)用降低氣壓的方法反證大氣壓力的作用，但是仍然存在不合理的地方。例如，有學(xué)者認(rèn)為此實(shí)驗(yàn)氣壓下降，水的沸點(diǎn)也會(huì)降低，所以在抽氣的過(guò)程中，兩面鏡子間的水的蒸發(fā)也可能導(dǎo)致兩面鏡子分離。

為了繼續(xù)探究夾層有水的兩面鏡子難以分開(kāi)的主要原因，本研究設(shè)計(jì)以下兩個(gè)定量測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，利用DIS力傳感器分別測(cè)量拉開(kāi)兩面鏡子力的大小與一面鏡子拉離水面時(shí)力的大小，再將這兩個(gè)力進(jìn)行比較，就能明確夾層有水的兩面鏡子難以分開(kāi)的主要原因。

2.2 測(cè)量鏡子拉離水面時(shí)力的大小

2.2.1 實(shí)驗(yàn)方法

（1）將DIS力傳感器接好線(xiàn)并連入電腦，然后打開(kāi)軟件運(yùn)行界面。

（2）將力傳感器水平吊著一面鏡子，并對(duì)此時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行清零。

（3）手持懸吊鏡子的力傳感器水平輕輕置于水面上（如圖4），按下采集數(shù)據(jù)的按鍵進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

（4）手持力傳感器從水面慢慢地向上提起，直至鏡子離開(kāi)水面，電腦會(huì)將力傳感器整個(gè)向上提起過(guò)程的受力情況記錄下來(lái)。其中，記錄的數(shù)據(jù)中最大值就是水分子與鏡面玻璃分子之間相互作用力的最大值。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)分析

由于手持力傳感器將鏡子從水面緩慢地向上提起的過(guò)程中，鏡子上下兩表面的壓強(qiáng)差可忽略不計(jì)。而此次實(shí)驗(yàn)，剛開(kāi)始力傳感器水平吊著鏡子時(shí)，已經(jīng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行清零，此做法的目的是直接將鏡子重力的影響排除掉。因此，向上提起鏡子時(shí)，力傳感器顯示的數(shù)據(jù)就可近似看為水分子與鏡面玻璃分子之間的相互作用力。此實(shí)驗(yàn)已排除大氣壓力與重力對(duì)鏡子的影響，測(cè)量分子間的引力，即水分子和鏡面玻璃分子間的引力。

筆者用邊長(zhǎng)4 cm、厚3 mm、重5.04 g的正方形鏡子做實(shí)驗(yàn)，鏡子面積約為16 cm2。為了保持鏡子的水平并方便懸掛在力傳感器上，在鏡子背面粘有小掛鉤。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照實(shí)驗(yàn)方法重復(fù)做5次實(shí)驗(yàn)，記錄的數(shù)據(jù)如表2。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鏡子從水面慢慢向上提起的過(guò)程中，力傳感器最大讀數(shù)的平均值約為0.11 N，即水分子和鏡面玻璃分子間的引力僅有0.11 N，僅相當(dāng)于11 g物體重力的大小。

2.3 測(cè)量拉開(kāi)兩面鏡子力的大小

2.3.1 實(shí)驗(yàn)方法

（1）將DIS力傳感器接好線(xiàn)，并連入電腦，然后打開(kāi)運(yùn)行界面。

（2）力傳感器水平懸吊夾層有水的兩面鏡子，并對(duì)此時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行清零，然后按下采集數(shù)據(jù)的按鍵進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

（3）一只手抓著下面的鏡子不動(dòng)，另一只手將力傳感器緩慢豎直往上拉，直至兩面鏡子分離。電腦會(huì)將兩面鏡子分離過(guò)程中力傳感器的受力情況記錄下來(lái)，記錄數(shù)據(jù)中的最大值就是拉開(kāi)兩面鏡子需要最大力的大小，也是大氣壓力和水分子與鏡面玻璃分子之間相互作用力二力之和的最大值。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)分析

此實(shí)驗(yàn)剛開(kāi)始將夾層有水的兩面鏡子水平吊在力傳感器上時(shí)，就已經(jīng)將傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行清零，目的是將兩面鏡子的重力減掉。因此，向上提起鏡子時(shí)，力傳感器顯示的數(shù)值近似為拉開(kāi)兩面鏡子需要的力的大小。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照實(shí)驗(yàn)方法重復(fù)做5次實(shí)驗(yàn)，記錄的數(shù)據(jù)如表3。

通過(guò)簡(jiǎn)單的運(yùn)算，可以計(jì)算出作用于鏡子上的大氣壓力的大小為大氣壓力和水分子與鏡面玻璃分子之間相互作用力二力之和（3.33 N）減去鏡子與水面間的相互作用力（0.11 N），即為（3.22 N）。從計(jì)算結(jié)果可以看出，夾層內(nèi)有水的兩面鏡子難以分開(kāi)的原因既有分子間引力的作用，也有大氣壓力的作用。但兩者相比，起主要作用的是大氣壓力，而且大氣壓力的作用效果約為分子間引力的30倍。因此，此實(shí)驗(yàn)結(jié)果推翻了觀點(diǎn)1和觀點(diǎn)2，佐證了觀點(diǎn)3，并證明了夾層有水的兩面鏡子難以分開(kāi)的主要原因是大氣壓力。

3 回顧和反思

在此探究過(guò)程中，學(xué)生經(jīng)歷了從爭(zhēng)論引出明確的研究問(wèn)題，分別尋找證據(jù)論證自己的觀點(diǎn)，并在尋找證據(jù)的過(guò)程中，使用多種實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行定性乃至半定量的數(shù)據(jù)采集和分析，通過(guò)論證交流最后得到一致的結(jié)論。在真實(shí)問(wèn)題解決的過(guò)程中，學(xué)生不但應(yīng)用了所學(xué)的學(xué)科知識(shí)，更體會(huì)到了科學(xué)的本質(zhì)，這正是親歷探究最具價(jià)值之所在。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾鵬，王偉民.夾層有水玻璃難分開(kāi)的主要原因不是分子引力[J].物理教師，2014，35（9）：60.

（欄目編輯 張正嚴(yán)）