生活中有许多物理现象都与液体的表面张力有关。比如,下过雨后,树叶、草上的小水珠都接近于球形;体温计里面的水银掉到地上,小水银滴也呈球形;硬币可以浮在水面上;一些昆虫可以在水面上行走等。那么究竟什么是液体的表面张力呢?
表面张力是液体的重要性质之一,在工业生产和日常生活中,表面张力的应用广泛存在。在工业技术上,如结晶、焊接、浮选技术、液体输送技术、电镀技术、铸造成型等方面都涉及到对液体表面张力的应用和研究;表面张力能够解释涉及液体表面的许多日常生活中的现象,如毛细现象、泡沫形成、喷液成雾等;动植物体内液体的运动与平衡,土壤中水的运动,药物制备及调制技术等也与液体的表面现象有关。
表面张力的应用在日常生活中也随处可见。衣服上的脏东西通常表面张力大,不溶于水,洗衣粉因带有表面活性剂能使它的表面张力减小,从而溶于水,这样才能把脏东西从衣服上洗掉。表面张力的大小对于打印机墨盒和喷头中墨滴的大小以及墨水的流动也是非常重要的,墨水在打印状态中以流动形式存在,表面张力低的墨水比表面张力高的墨水有更好的润湿特性。
表面张力在生物学、医学及微循环系统中也有着广泛的应用。我们知道,包括人在内的许多动物都是靠肺呼吸。在肺中,有数以亿计的肺泡(肺泡平均直径约为0.1 mm)来完成呼吸功能。肺泡间布满了毛细血管,空气中的氧气和血液中的二氧化碳在这里进行交换。肺泡内的粘液层以单分子层覆盖于肺泡内壁,它是一种表面活性物质,具有调节肺泡内壁液层表面张力的作用。肺泡内壁粘液层中的表面活性物质,对于表面张力的调节作用在呼吸过程中具有重要意义,它不会使肺泡胀破或萎缩。检测到肺泡液体的表面张力系数就可以确定活性物质的活性强度大小,对相关疾病进行诊断。
本实验在着重培养学生的动手操作能力、数据处理能力,分析问题和解决问题能力基础上,把实验物理知识和技术在实际中的应用,尤其是同学们关注的科学、技术发展的新领域、新应用和社会发展热点问题,引入课堂教学,引导同学们将自身的学习、发展与国计民生密切联系,激发同学们的时代责任感。例如在讲解原理时,还可以结合课程内容,向学生介绍一些前沿科学研究。比如,在讲解液体张力时加入A.T.Oratis 和 J.W.M Bush等人在2020年发表于《Science》上关于黏性泡沫的倒塌机理的最新成果,该研究工作中指出了黏性泡沫倒塌时所产生的褶皱,既不取决于重量,也不取决于气孔的存在,而压缩液体的表面张力和动态应力才是气泡行为和产生起皱不稳定性的主要驱动机制。这些前沿研究的介绍有助于拓宽学生视野,提升学习兴趣,为学生以后进一步学习物理前沿知识作铺垫,帮助学生树立正确的、完善的科学观。