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参与翻译: 蔓越梅 (7), melody (2)

介绍

你是否在你的窗户上看到雨水在顺着玻璃流下来?观察他们其中一些是如何由小雨滴积聚成大雨滴,而另一些则一直在玻璃同一个位置上,这些都是迷人的景象。你有没有想过,是什么让他们以不同的方式移动和表现?让液体直接或者间接在物体表面蔓延开,被称为“润湿”,实际上对很多事都有重要意义——除了只是看雨。在某些情况下,你可能需要一个能够防水的东西,拿你的防水外套作为一个例子。有时,你需要液体均匀地散布在一个表面上,如墙上的油漆。但是你能预测一滴水在一个特定的表面上会怎么样吗?它会扩散开还是形成一个液滴? 如果液体不仅是水,但不同的液体混合物,情况会是更复杂的 。有时结果会很出人意料,甚至是让人叹为观止。试试这个实验,自己看看吧!

第 1 段(可获 2.13 积分)

背景

是什么决定了液体在一个表面上的行为?答案似乎很简单:它取决于液体和表面。不同的表面有不同的分子结构,从而导致水或其他液体对表面不同的亲和力。吸水的材料如干净的玻璃,被称为具有亲水性,这意味着水喜欢接触这个表面,水很容易在表面扩散。其他表面,如聚四氟乙烯或植物叶子的表面,则表现出相反的行为,是水不喜欢的或称疏水性,这意味着水将在他们表面形成一个圆形的液滴。液滴在一个特定的表面上的形状,实际上可以告诉你很多关于表面材料的特性。

第 2 段(可获 1.35 积分)

在液体中,表面张力跟液滴形状有关。基本原理:一个液滴内的液体分子想紧紧抓住他们的周围的液体分子。这使得液体内的分子粘在一起。然而,在表面上,液体分子数量较少,这导致表面分子之间形成的键更强。当它们被下面的分子所拉动时,所有的表面分子都努力“维持原状”形成一个液滴。你可能无意中看到过许多表面张力的例子:下雨后窗户上的水滴或植物叶子上的微小液滴或水黾能在水上行走,这些只是其中的一小部分。在这个实验中,你将探索另一个的表面张力起作用的例子,你会发现,其他因素也影响液滴的行为。为看到彩色液滴的一些表现做好准备!

第 3 段(可获 1.91 积分)

材料

  • 成年助手
  • 至今
  • 白纸
  • 显微镜载玻片和钳(可选)
  • 耐高温的平板玻璃的表面,如玻璃托盘或烤盘(完好无裂纹)
  • 医用滴管
  • 烤箱手套
  • 燃气炉或炉子或固体酒精燃料,火柴或打火机(一定要有适当的预防措施;使用热源永远遵循制造商的指示在适当的地方使用。)
  • 酸奶容器盖或蜡纸
  • 安全眼镜(保护实验人员和观察员的眼睛)
  • 一堆纸巾
  • 一张白纸
  • 马克笔(可选)
第 4 段(可获 1.33 积分)

准备工作

  • 把纸巾或者其他防护层放在你工作区可能会弄脏的地方。
  • 用滴管在塑料酸奶盖子或蜡纸上滴一行五滴水珠。他们应该是大致相同的大小。
  • 选择一种颜色的食品着色并从瓶子里拿出浓缩食物着色剂放到那一行水滴旁边。
  • 用滴管,在旁边那行中取少量浓缩食品着色剂并滴到隔壁水滴那里,把他们都吸到滴管里再挤出来,反复操作让他们好好混合。
  • 现在用滴管吸一点点第一滴混合好的液滴并将它和那行清水的下一滴混合。
  • 重复上述步骤直到五滴清水都染上色。最后你会得到六滴颜色深浅不一的液滴。
  • 用清水洗滴管。
  • 用另一种颜色(蓝色,绿色,红色或黄色)重复以上步骤。确保你的滴管在做另一种颜色前已经洗干净。现在把酸奶盖放到一边,稍后你将会用到这些颜色不一的液滴。
  • 让你的助手点燃野营炉或煤气炉。如果你没有一个能用的炉子,用火柴或打火机点燃固体酒精,用这把火。处理明火时要格外小心。检查您的环境安全和绑好你散乱的头发。
  • 让每个人都带上护目镜。
  • 让你的成年助手戴上烤箱手套拿着耐热玻璃盘。让部分的底部平坦区域(面积三乘六厘米左右就足够了)慢慢通过燃气炉或野营炉火焰上方约30至45秒。火焰应该碰到玻璃。如果你使用固体酒精,让平板玻璃表面通过一到两分钟的火焰。确保玻璃接触火焰。记住你盘子是哪部分接触火焰——你会在实验中用到这部分区域。(小心:当把玻璃穿过火焰时要小心。当暴露在热源的时候,玻璃内的微小的微观裂缝会使它碎裂。确保只使用耐热性或耐高温的玻璃盘,和所有的旁观者都应配备保护眼睛的装置,如安全眼镜。)
  • 另外,如果你有显微镜载玻片,让他们用钳子把他们在火焰上放30秒(燃气炉或野营炉)或一分钟(固体酒精)。
  • 小心使用,玻璃会很热。小心地将玻璃碟或显微镜载玻片放置在你的工作区域。(通过火焰的那一边应该向上。)让玻璃冷却约10分钟。
第 5 段(可获 6.11 积分)

步骤

  • 一旦你的玻璃冷却了一点,在你的工作区域上放置一张白纸。接下来,把你的仍然温暖的玻璃盘子或显微镜载玻片放在纸上。请记住,面对火焰的区域应该向上。
  • 用清洗后的滴管滴一小滴纯净水在玻璃表面。小液滴怎么样?它在表面上扩散还是保持它的液滴形状?
  • 用医药滴管,现在滴一个小滴在你的酸奶盖子或蜡纸上的浓缩食品着色剂(选择任何颜色),小心地滴在玻璃上。这个液滴是怎么样?它看起来不同于纯净的水滴吗?你注意到这两个滴有什么区别吗?
  • 现在把一个相同的浓缩食品着色剂到旁边的其他食品着色液滴旁边。不要碰到别的液滴,但应接近(约三至六毫米的距离)。这两个液滴有什么表现?他们是移动还是他们保持不变?如果他们在移动,在哪个方向移动,他们发生了什么?(提示:如果你看不到任何发生的事情,你可能没有把玻璃表面加热足够。擦干玻璃,并尝试再次通过让火焰烧玻璃的表面,确保将火焰集中到一个区域,并给它足够的时间。用载玻片效果最好,但一个耐热玻璃盘的平面表面也很好用。你也可以尝试把水滴放在加热的玻璃表面的一个不同的点上一些地区可能会效果更好。
  • 冲洗滴管后,再滴浓缩食品着色剂(选择任何颜色)在温暖的玻璃表面。
  • 确保再次冲洗干净你的滴管。然后,在酸奶盖或蜡纸上从你的食品着色液滴中选择最不集中的一个不同的颜色,并把一个小液滴旁边的浓缩食品着色液滴在玻璃上,让他们不要碰到对方。这两个液滴表现出和刚刚两个浓缩的食品着色液滴相同的行为吗?你看到有什么区别吗?他们表现有什么不同?
  • 现在从你的酸奶盖或蜡纸上挑选几种颜色和颜色的食品,并将许多不同的小水滴随机地放在温暖的玻璃表面上。确保在你改变颜色或浓度时冲洗干净你的滴管。尝试改变液滴尺寸。不同大小的液滴会有什么变化?颜色或浓度改变他们的行为吗?你能发现他们表现的规律吗?
  • 另外:你能想到其他方法来影响你的液滴在玻璃上或任何其他表面上的行为?他们不会在每一个表面上跳舞,但你可以尝试做出液滴的形成和扩散。想想其他表面如你的防雨外套,织物的植物叶子,塑料或木制的桌子。如果用肥皂、橄榄油或酒精改变表面的性质,液滴的成形会改变吗?如果你改变表面粗糙度会发生什么?(食品着色和油性物质能染色,所以一定要在允许的条件下放这些液滴在不同的表面上)
第 6 段(可获 6.88 积分)

观察和结果

你应该在玻璃表面上看到各种各样的液滴的不同表现。纯净水的液滴可能扩散得很快。用火焰处理玻璃盘或显微镜载玻片会使他们表面非常不利于液滴的形成,更容易让液滴扩散。然而,浓缩的食品染色剂,不仅包含水,而且还含有一种叫做丙二醇的化学物质。你应该注意到当把食品着色剂滴在玻璃表面上时这两个物质的混合物让液滴变得更像水珠。液滴表面上的水蒸发的速度比丙二醇快,同时,液滴表面的水具有较大的表面张力。这些差异导致在一个液滴内部水流对称,液滴变得稳定并停止向外扩散。

 

第 7 段(可获 1.66 积分)

也许你曾见过食物着色剂的液滴在玻璃上微微流动。当你把第二滴着色剂滴在第一滴旁边时,它们便会在玻璃上向对方滑动。这一有趣的运动就是蒸汽介导,意思是一滴液滴会影响另一滴液滴的水分蒸发,从而打破液滴内部水流的稳定状态,造成液滴内部的不对称性,这一不对称性促使液滴向对方运动。当两滴液滴相遇,液滴内部的水分/丙二醇混合物会决定其之后的表现。如果混合物相同,两滴液滴会融合成一个大液滴,就像你可能看到的那样。而如果你选择的第二滴液滴浓度与前者大不相同,你会发现一滴液滴与另一滴液滴产生追逐现象。这一现象产生的原因在于两滴液滴的表面张力不同。表面张力低的液滴(高浓度食物着色剂)会跑向表面张力高的液滴(低浓度食物着色剂)。这样就产生了有趣的现象:当你把许多不同颜色以及不同浓度的食物着色剂滴在热玻璃上时,你见过它们跳舞吗?(点击这里阅读更多信息,观看科学家演示液滴跳舞的视频。)

第 8 段(可获 2.78 积分)

清洁工作

用清水洗净所有玻璃器皿或显微镜载物片上的食物着色剂。清洗使用过的其他物品(酸奶盖、药剂滴管),回收利用不再使用的酸奶盖。用水和肥皂清洗工作台,别忘了洗手。

第 9 段(可获 0.71 积分)

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