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硬币为什么能浮在水面上?

查字典物理网 2016-03-29

外出旅游常看到许多景点的泉水边、池塘里漂浮着一枚枚硬币,而且大多是一角硬币。听导游说,许一个愿,轻轻的放入一枚硬币,如果此枚硬币能浮在水面上,你许的愿望就能实现。我想这终究只能是一个美好的给人以希望、给人以期待的游戏罢了。在《上虞县志》也记载“舜井,年久湮没,1984年易地重修,位于百官镇龙山头西麓、上虞宾馆南侧,引百官名泉龙王塘水入井,泉水甘澄,能浮铝质硬币。书法家费新我题写井碑。”那么硬币为什么能漂浮在水面上呢?是不是因为受到浮力的缘故?是不是这些水真的很特殊呢?

其实,硬币能漂浮在水面上不是因为受到浮力的缘故。

我们可以用天平和卡尺测量常见几种硬币的质量和外形大小,其体积,式子中D是硬币直径,H是硬币厚度。测量数据如表一。

表一:常见硬币的质量和外形大小

根据阿基米德浮力定律F=ρgV排和重力计算公式G=mg,我们可以估算常见几种硬币所受到的重力和在水中受到的最大浮力。计算时,g取9.8N/kg,ρ取1.0×103kg/m3,计算结果见表二。

表二:常见几种硬币所受重力与水中最大浮力比较

在上面的浮力估算中,排开液体的体积就是这个硬币的体积,计算得到的浮力是硬币受到浮力的最大值。因为硬币表面有许多凹陷,我们在计算中将其看做一个简单的圆柱体,忽略了它的凹陷。

根据上面的估算,我们不难发现无论何种硬币,它在水中所受的浮力一定比重力要小很多,显然硬币能漂浮在水面上不可能是因为它受到浮力的缘故。

事实上,一旦我们将硬币没入水中,硬币就会立即下沉到池底,而不会再慢慢漂浮起来或者在水中悬浮着。泉池里漂浮着的大多是1角硬币是因为这种硬币的质量最小,所受重力最小。自然它是所有常见硬币中最容易浮在水面上的一种硬币。

那么,硬币究竟是靠什么才能漂浮在水面上的呢?

在家里,我通过几次尝试也终于将一枚1角的铝合金硬币漂浮在水面上了,如图1所示。在灯光下仔细观察,我发现平静的水面很像一层绷紧的弹性橡皮膜。在硬币一侧轻轻施加一个力,当这层“膜”一旦被压破,硬币就会马上沉入水中。我想可能正是这层像绷紧的橡皮膜支撑了硬币,如图2所示。

图1 1角铝合金硬币浮在水面上 图2 水面像一张绷紧的弹性橡皮膜

为了验证自己的想法,我通过上网查阅资料、请教老师,终于大致明白了硬币之所以能浮在水面上的真正原因。原来不光是水面,其他液体也一样,由于液体表面层的分子比液体内部的分子要稀疏些,也就是分子间的距离比较大,分子间存在相互吸引的引力,正是因为液体表面层分子存在这种引力,所以宏观上就产生一种叫表面张力的作用,表面层就好像是一层绷紧的弹性橡皮膜,自然就能支撑一些轻小的物体了。

要把硬币轻松放在水面上不下沉,有哪些技巧呢?

通过多次尝试,我发觉关键要做到“平、轻、稳”,就是放硬币时要保证硬币与水面相平、用力要轻、手要稳。如果有必要,还可以把硬币在头皮上摩擦几下,使硬币表面涂上一层油脂,这样可能也会有助于实验成功。还有一个方便的办法就是用一小张吸水的纸(如餐巾纸)托着硬币,一起平稳地放入水中,随着纸的吸水下沉,硬币就稳稳的浮在水面上了。

液体表面存在表面张力的现象其实在生活中也是很常见,如一些昆虫能停在水面上(如图3),叶上的露珠总成球形(如图4)等等。

图3 停在水面上的昆虫 图4 叶子上呈球形的露珠

液体的表面张力在日常生活中也有很多应用,例举如下:

在家煮豆浆的时候,豆浆很容易沸出来,淌的到处都是,而且往往以为豆浆沸腾了就熟了,其实豆浆较难煮熟。这是因为豆浆的表面张力很大,一加热就产生气泡,而且气泡不容易破裂,造成剧烈沸腾的假象,使人以为已经烧开了,煮熟了。要避免这种情况,我们可以在豆浆里加几滴食用油,以破坏豆浆的表面张力,这样豆浆就不会溢锅了,也不会出现剧烈沸腾但豆浆还没煮熟的情况。

玻璃管的裂口往往是很尖锐的,很容易伤人。我们可以把玻璃管的裂口放在火焰上烧熔,利用其表面张力,它的尖端就会变圆,避免伤人。如图5所示。

布制的伞面尽管能看得见纱线间的缝隙,但由于存在水的表面张力,伞面却不会漏雨水。

我们可以在普通方法配制的肥皂液中加入少许砂糖和一包茶叶,这样配置的肥皂液就能吹出超级肥皂泡了,甚至还能把这些泡泡捧在手上玩呢!这是因为含有糖和茶水的肥皂膜的表面张力大大增强了,所以肥皂泡不易破裂。

表面张力的用途远不止以上所谈到的这些,在生物学、医学中它也有着广泛的应用,玩具制造厂也常利用它生产出各种有趣的玩具。


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