用传感器测量分子引力及其探讨，本文主要内容关键词为：引力论文,传感器论文,测量论文,分子论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、问题的提出
关于分子力存在的教学一直是高中物理教学的难点，尤其是从实验中说明分子力的存在。教师在教学时往往采用一些生活例子来进行说明，甚至是采用思想实验，学生往往半信半疑，实验效果不佳。究其原因，主要是没有让学生信服的实验，更谈不上对单个分子力之间进行定量测量了。力学传感器在中学物理教学中的使用让教师有了更多的选择，由于它比弹簧秤的测量精度高了一个数量级，因而配套软件对数据的采集和对过程的记录为实验提供了较好的保证。
本文所述就是用传感器对分子力进行测量的一个例子。
二、实验装置的设计和实验原理
2个物体靠近或分开时分子力容易表现出来，但要使2个物体在作用过程中既要保证接触充分又要便于操作，则用2种固体表面做实验就很难。笔者所述实验采用让玻璃表面和液体表面靠近和分离的办法则比较容易控制。经过反复思考和多次试验，笔者最后采用如图1所示装置进行实验，效果较好。本实验装置主要由3个部分组成，以下是装置的说明：
图1 改进后的实验装置
1.固定部分。主要由铁架台、力学传感器、可悬挂的玻璃组成。力学传感器用铁架台固定，其下悬挂玻璃板。玻璃板的大小要适宜，太大不易调整水平，太小则力的测量误差大。玻璃的光滑特性使其不好固定，笔者用了一个吸附式挂钩吸在玻璃板上，在挂钩上固定细线较为方便。适当调整挂钩位置，使玻璃悬挂时尽量水平，必要时可以用简易水平仪（小气泡水平仪）进行水平检查。因为不用移动玻璃板，故传感器一直处在稳定状态，避免了传感器因为运动带来的读数不稳定。
2.由简易升降台、深盘及盘中的液体组成。由于要让分子力表现出来，即要使玻璃表面与液体表面的靠近和分离过程足够缓慢且平稳，则直接用手操作不易实现。笔者使用一般中学实验室都有的简易升降平台达到了实验要求。方法是在简易平台上放置1个深盘，大小以能让玻璃水平地与液体接触为宜。盘子里面盛上一定量的液体（本实验分别用到了水和油等），通过缓慢旋转升降平台的升降旋钮，尽量使平台平稳缓慢升降，使得液面与玻璃表面靠近和分离都很平稳。
3.力学传感器配套的软件，主要用于对数据的采集记录和分析处理（略）。
三、实验结果
本实验记录的图象是上海中科数字化实验系统生成的，主要用到了扩展实验功能。为使数据准确记录并尽量呈现过程，实验用该传感器的最小量程10N，记录时间为30s，数据采样频率为500次／s。图中将纵坐标都调整为相同的分度，主要是便于直观比较实验数据的差异。由于该软件没有直接生成图片的功能，因此图片是实验生成的图象经过同分度调整后再拷屏记录下来的。以下就几次实验得到的图象进行简单说明。
1.实验图象及说明
图2中图2a，图2b图象分别是玻璃进入水面和离开水面时传感器上力的变化过程。
图2a中的初始水平阶段是玻璃在空气中的重力。我们很容易就看出在玻璃进入水面过程中突然有一个力的增大过程，该过程即是水面表层分子与玻璃表面分子发生相互吸引的过程。因为玻璃受到水的浮力或水面的表面张力，这两种力的方向都向上，使得传感器的读数应该减小，所以，此过程只能理解为分子相互吸引过程表现出的引力。
图2b中的初始水平为玻璃在水中时传感器的受力情况，它比玻璃的重力小一些，主要是因为初始时将玻璃浸入水中，玻璃受到了表面张力和浮力作用的结果。在水面与玻璃表面逐渐分离的过程中，我们很容易看出力的增大过程，而且最大值比进入水面时还要大一些。
图2中，图2c，图2d图象是在玻璃板上涂抹一层蜡之后的实验结果。涂抹蜡的原因是考虑到玻璃与水是浸润的，而与蜡是不浸润的，因而想比较实验结果有何差异。从图2中容易看出其力要稍微小一点。
图2 实验图
图3呈现的是改变溶液得到的实验图象。
图3a是在水中溶入了一定的洗衣粉之后得到的玻璃进入液面时力的变化情况，其引力最大值稍微小一点。
图3b，图3c则是食用油与玻璃在靠近和分离时得到的力大小变化过程。其引力的最大值比其他介质稍微大一些。
图3 实验图
2.实验数据处理及说明
表1 是配套软件相关功能得到的实验数据。
表1 实验数据
物质 水和玻璃水与蜡 洗衣粉 油与玻璃
涂层 溶液与玻璃
过程
靠近 分离 靠近 分离 靠近 靠近
分离
初始值／N 0.51 0.33 0.55 0.43 0.52 0.54
0.42
最大力值／N0.69 0.89 0.76 0.83 0.71 0.77
0.86
与重力差值／N 0.18 0.38 0.21 0.28 0.19 0.17
0.32
综合表1的数据和图2和图3图象可以得出2点结论：
(1)从引力的最大值看出，无论是哪一种介质与玻璃作用，在分离时的最大值比靠近时要大一些，在0.7N左右：
(2)从与重力的差值看出，不同材料间在靠近时其引力最大值差异性较小，而在分离时引力最大值差异性要略大一些，最小为0.18N，最大为0.32N。
3.实验现象的定性解释
对实验的结果，笔者尝试进行解释。
(1)对靠近时的分子引力比分离时大的解释。根据分子力有关理论，出现分子之间的最大引力的分子间距一般在2个分子大小尺度内，而2种物质在靠近时如果没有接触，无法表现出引力。玻璃的悬挂水平性不够好，有一部分先与水面接触，一旦玻璃的某一部分先与水面接触之后，该力会使玻璃平面与水平面充分接触，此时的水面表层分子因受到玻璃表面分子的吸引而离开原来的表面位置，分子间距比原来要大一些，表现出了引力。当2个表面分离时，分子间的引力使得水面与玻璃接触的表层分子离开了原来的水平面，表现出引力，该力必须达到最大之后才会分开。从引力的表现程度看，分离时引力的表现要充分一些，因此力大一些。
(2)对于靠近时后来的力比初始重力还小，主要原因是表面张力和浮力起到了作用，此过程也正好说明实验过程中出现的力大于重力的过程不是它们的作用效果。分离后的重力变大，其主要原因是分离后玻璃表面上附着的一层溶液的重力所致。
(3)对于分离时的最大引力虽然略有差异，但是差异不大的原因说明了不同材料分子间引力大小是相当的。这正与热学中有关分子力的理论认为不同种类的分子间引力都与
成正比说法一致。
四、拓展
利用实验得到的数据，笔者尝试估算相邻的单个水分子和玻璃分子间的最大引力，希望用宏观测量方法得到微观物理量，虽然不能精确，但如果能得到同一数量级则也为中学物理教学提供了一个培养学生科学思维和方法的研究范例。
水分子在液态水中，主要以分子团的形式存在，而且形式还很复杂。为简化计算，在中学物理中常用的分子模型是立方体模型或球体模型，这里用最简单的立方体模型进行分子间的最大引力估算。
对于本实验结果，笔者希望从专业著作中得到验证，虽经过查阅有关文献，但是没有得到有关单个分子间最大引力的数量级，因此非常希望与大家讨论并得到指正。
五、结束语
综上所述，本实验较好地表明了分子间存在引力，并定量测出了分子间的引力，使学生对分子间引力的存在有更加直观的认识，也较好地解决了高中物理教学的一个难点。本实验中力在0.3N以上，虽然用弹簧秤也可以测量，但是误差太大且弹簧不容易稳定，容易出现振动；而利用传感器和简易升降平台则能较好地解决这一问题。