兩片玻璃片中間有水時粘合力的測量與探究

李一帆

【摘要】兩塊玻璃之間夾有一層薄薄的水并緊貼在一起，則需要用較大的力才能將兩者分離。本文通過控制變量法從用水量，液體種類，玻璃片表面打蠟處理，改變外界氣壓大小等多方面進行了實驗測量和探究，結合大氣壓力與水的表面張力兩方面，理論分析了夾層有水的玻璃的受力情況，得出了拉力大小在相同面積下主要決定于液體的表面張力系數，液體與物體表面的浸潤程度，而與大氣壓力無關的結論。

【關鍵詞】粘合力 ?大氣壓力 ?表面張力 ?控制變量法

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）13-0174-02

一、背景

日常生活中，如果兩片玻璃片中間存在著水的時候，很難將玻璃片分開，關于這個現(xiàn)象的解釋，有諸如大氣壓力，表面張力等等說法[1][2]，但大多數限于理論分析，缺乏必要的實驗判定。在本文中，我合理設計了實驗方法測量了粘合力的大小，并通過控制變量法研究了用水量、液體種類、玻璃片表面打蠟處理、改變外界氣壓對于粘合力大小的影響，從而在實驗上證實了粘合力和液體以及玻璃片表面有關，而和大氣壓無關的結論，因此我認為粘合力和表面張力相關和大氣壓力無關。

二、實驗器材

載玻片（玻璃片）兩片（使用電子稱得到每片10g，使用直尺得到長和寬分別為7.6cm×2.5cm），水，醋，醬油，牛奶，酒精，膠頭滴管，真空罩，蠟，電子秤，砝碼（使用電子稱得到每個約10g），橡皮，紙巾，直尺。

三、粘合力的測量方法

首先使用膠頭滴管往下層載玻片中央滴加一定量的水，將上層載玻片與下層載玻片相互垂直，一段觸碰下層載玻片邊緣，另一端以約30°角緩慢蓋在下層載玻片上，并注意防止氣泡產生。待水填滿兩載玻片重合的區(qū)域（正方形，大小為2.5cm×2.5cm），用手按壓上方載玻片，使載玻片盡可能地相互貼緊，并同時用紙巾輕輕吸干夾層以外的水。將上層載玻片兩端架在兩個相同的橡皮上，下層玻璃片由于粘合力可以懸空靜止而不落下。此時在下層玻璃片的兩端上同時加相同質量的砝碼，直至玻璃片落下，記錄玻璃片落下前后的砝碼質量。粘合力大于下層玻璃片落下前砝碼加上下層玻璃片的總重力，小于下層玻璃片落下后砝碼和下層玻璃片的總重力，重力加速度取9.8kg·m/s2。

四、探究影響粘合力的因素

1.用水量

【實驗步驟】

在本實驗中，我通過測量兩個玻璃片的質量m1以及測量加水后兩個玻璃片的質量m2，得到用水量m=m2-m1，按照第三部分陳述的方法測量粘合力，得到粘合力隨著用水量m的變化規(guī)律。

【實驗結果】

用水量約為0.01g時，實驗測得加20個砝碼的時候下層載玻片仍未落下，加22個砝碼時，下層載玻片落下，因此粘合力大小對應質量介于210g-230g之間的重力，也即粘合力介于2.06N-2.25N之間。同樣的方法測得用水量約為0.02g時，粘合力大小介于0.29N-0.49N之間，用水量約為0.03g時，粘合力大小介于0.1N-0.29N之間。

2.玻璃片表面打蠟

【實驗步驟】

將兩片載玻片表面都打蠟處理或者只將一片載玻片表面打蠟處理，使用很少量的水粘合，測量力的大小。

【實驗結果】

只要將玻璃片打蠟處理，無論如何減少用水量，粘合力都不足以使得質量為10g的玻璃片懸空，也即粘合力在載玻片表面打蠟處理后顯著下降，小于0.1N。

3.液體種類

【實驗步驟】

使用不同的液體種類（水，醋，醬油，牛奶，酒精），盡量少的液體，測量能夠達到的最大粘合力，實驗中對于同一個液體多次測量，以減小實驗誤差。

【實驗結果】

液體種類不同時，所能夠達到的最大粘合力也不相同，使用水粘合兩個載玻片時，最大能夠加28個砝碼不落下，加30個砝碼載玻片脫落，因此粘合力最大能夠達到2.84N-3.04N;使用醋粘合兩個載玻片時，粘合力最大能夠達到2.25N-2.45N;使用醬油或者牛奶粘合兩個載玻片時，粘合力最大都能夠達到2.84N-3.04N;使用酒精粘合兩個載玻片時，粘合力最大能夠達到2.06N-2.25N。

4.外界氣壓

【實驗步驟】

將兩個載玻片用約0.01g的水粘合后，在大氣環(huán)境下，實驗測得加20個砝碼的時候下層載玻片仍未落下，加22個砝碼時，下層載玻片落下。所以在實驗過程中，加20個砝碼，同時將整個裝置放置在真空罩里并開始抽真空，使用真空計記錄氣壓，并觀察載玻片是否脫落。

【實驗結果】

實驗發(fā)現(xiàn)直到氣壓一直抽到2kPa時，下層載玻片仍未脫落。

五、結果分析

通過對四個因素的探究，尤其是通過抽真空的方法，我沒有發(fā)現(xiàn)外界大氣壓影響粘合力的現(xiàn)象。如果按照文獻[1]中所提出的是大氣壓力造成的粘合力，那么在抽真空的實驗過程中，氣壓從101kPa減小為2kPa時，粘合力應該減小為原來的■倍，我們知道在大氣環(huán)境中，真實實驗過程中的粘合力小于2.25N，那么在2kPa時，粘合力應該小于0.045N，這意味著粘合力不能粘合4.5g的質量，這和實驗結果完全不同，所以我從實驗上證明了大氣壓力不是產生粘合力的原因，因此文獻[1]中的說法是有錯誤的。同時載玻片表面處理以及液體種類的改變都可以改變粘合力的大小，這也說明粘合力的大小和液體的性質以及玻璃片的表面會有一定的關系，這也是使用大氣壓力來解釋粘合力無法解釋的結果。

網上還有說法，粘合力來源于直接的表面張力4？滓L，我們可以使用室溫下（20℃）水的表面張力系數？滓=7.28×10-2N/m，計算得到4？滓L≈0.007N，這個力相對于我們實驗中測到的結果來說太小，根本無法解釋實驗結果，因此直接的表面張力也不會是粘合力的主要來源。

我的實驗結果更加傾向于認為文獻[2]中的結論是正確的。文獻[2]認為造成粘合力的原因是夾層液體表面向內彎曲導致的液體內外的拉普拉斯壓力，在我們的情形中為■L■，其中？滓為表面張力系數，R為夾層中水的側面表面如果處理為圓柱側面時所對應的圓柱的橫截面半徑，L=2.5cm是載玻片重合的面積，也即水充滿的區(qū)域。按照這個公式，當用水量增加時，夾層中的水的側面會變得平直，R趨于無窮大，因此粘合力在減小，將載玻片表面打蠟時，由于水在打蠟的載玻片上不浸潤，水的側面向外彎曲，此時水的內部壓強大于大氣壓，因此壓力差無法提供正的粘合力，因此在實驗上出現(xiàn)無法粘合的現(xiàn)象。改變液體種類，？滓會有所改變，因此粘合力也在發(fā)生改變。改變外界氣壓，并不會影響液體內外的拉普拉斯壓力，因此在我的實驗過程中，下層載玻片一直未脫落。

六、結論

通過實驗測量和對實驗結果的分析，我們確認了兩片玻璃片中間有水時粘合力的來源是夾層液體表面向內彎曲導致的拉普拉斯壓力，而非大氣壓力或者直接的表面張力。由于拉普拉斯壓力本身是一個表面張力造成的現(xiàn)象，可以認為粘合現(xiàn)象是一個表面張力現(xiàn)象，但是不應該簡單地認為就是直接的表面張力造成的粘合力。

參考文獻：

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

[2]蘇鑫楊，林方.分離夾層有水玻璃所需較大拉力的產生原理與影響因素[J].應用物理， 2017（4）：85-91.