水往高處走

黃萍

南京市鼓樓實驗小學科學教師，碩士，畢業于上海大學；從教期間，獲得鼓樓區小學科學命題大賽一等獎、鼓樓區作業設計一等獎等，指導學生參加江蘇省中小學生金鑰匙科技競賽多次獲獎。

在蘇教版科學教材三年級下冊，我們學了《紙》這一課，知道不同類型的紙吸水能力不同。為了探究牛皮紙、宣紙、報紙等紙的吸水能力，我們將其折疊成大小、厚度、高度相同的紙條后，將一端豎直地放進盛水的杯中，觀察到水沿著紙張慢慢往上升。我們可以通過水上升的高度，判斷紙張的吸水能力。

水往高處走的現象也叫毛細現象，這到底是什么原因呢？我們一起來探究一下吧！

神奇的力——表面張力

同學們有沒有發現，在夏天的清晨，樹葉上的露珠都是球形的；將水滴到桌面上，水的形狀也是球形的；忘記擰緊水龍頭，水滴的形狀也是球形的；不小心打碎水銀溫度計，水銀滴落在地上也呈球形。通過仔細觀察，我們還會發現：一些輕巧的小昆蟲在水面上行走自如；倒水的時候，有時水面高于杯口卻始終沒有漫出來……這些生活中常見的現象都蘊藏著同一個科學原理——液體的表面張力。

世界是物質的，物質由大量分子組成。例如，水由水分子組成，氧氣由氧分子組成。荷蘭物理學家范德華在1873 年提出分子與分子之間存在相互作用力，即吸引力和排斥力。例如，一支粉筆有一定的形狀和體積，而不是“一盤散沙”；兩滴水靠近后，會合成一滴水……這些現象都證明了分子間吸引力的存在。使勁壓一個氣球，到一定程度后，氣球難以被壓縮，也證明了分子間斥力的存在。分子間的距離越小，吸引力就越大。

水中含有大量的水分子，由于水分子之間相互吸引，因此每個水分子就像小人一樣彼此拉著手。當一個水分子往前運動時，在一定距離內就會拉著另一個水分子一起往前。對于一滴水而言，水表面與空氣接觸的水分子被內部的水分子拉著。在一定范圍內，這個力量一直存在，這就是表面張力。另外，對于體積一定的物體而言，球形的表面積最小，在沒有外力作用下的水分子朝著縮小表面積的方向相互靠攏，就形成了球形。裝滿水的水杯，從側面看，水面呈現弧形，也是緣于此。

看到這里，你已經知道為什么紙張中的水會一起往前“走”了吧。因為水分子相互拉著彼此呢！你是不是還在思考：為什么低處的水會往高處走？是什么力量拉動了水表面的水分子？

密度決定液面形狀

為了解決這個疑惑，我們首先來仔細觀察裝水的試管中液面的形狀——是凹形的。液面的形狀是由液體的表面張力決定的：密度比水?。ㄈ缇凭┗虻扔谒囊后w在試管中會成凹液面，而密度比水大（如水銀）的液體在試管中會成凸液面。這是因為水和玻璃間也有分子間作用力，水分子間的拉力小于水與玻璃之間的拉力，所以水與玻璃交界處，水會被玻璃拉上去，呈凹狀。如果液面是彎曲的，它就有一種變平的趨勢。因此，凹液面對下面的液體施以拉力，凸液面對下面的液體施以壓力?！八咛幾摺钡默F象中，最原始的向上“走”的動力就來自液面表層分子的拉力。

萬有引力參與其中

有些同學可能又有疑惑了：試管中的水沒有一直上升呀？這就要講到一個偉大的物理學家——牛頓。相傳牛頓在蘋果樹下看書，被蘋果砸中，發現了萬有引力定律。萬有引力定律指出任何兩個物體之間都存在著吸引力，吸引力的大小與兩個物體的質量和物體之間的距離有關：物體間的距離一定時，兩個物體的質量越大，吸引力越大；物體的質量一定時，物體間距離越大，吸引力越小。

由于地球的質量很大，并且地球與地球上的物體距離十分接近，因此地球會給地球表面所有的物體施加一個十分強大的吸引力（一個50千克的人站在地面上受到的地球引力大約有500牛頓），地球的引力方向為豎直向下。所以，我們不管怎么用力向上跳，都會落到地面。

試管中的水也受到地球對它向下的吸引力，水越多，豎直向下的吸引力就越大。我們一起簡單分析管內液體的受力情況：當向上的拉力小于管內液體受到的吸引力時，管內的液體不會上升；當向上的拉力大于管內液體受到的吸引力時，管內的液體上升，直到拉力跟管內液體所受的吸引力相等時，管內的液體停止上升，達到平衡。

所以，我們通常在一些十分細小的管子（也叫毛細管）中才可以看到“水往高處走”的現象，因為在細小的管子中，液體質量小，對應受到的地球引力也小。像醫院采血用到的毛細管采血針，直徑僅僅零點幾毫米。這也很好地解釋了為什么將尺子緊貼杯壁，也可以出現“水往高處走”的現象。因為當尺子與杯壁之間的縫隙很小時，就可以視作毛細管。

紙張中的毛細管

通過上文的解釋，我們知道了毛細現象的產生需要十分狹小的管道。那紙張中的“管道”在哪里呢？造紙的原材料主要來自森林里的樹木和蘆葦草等，原料中含有纖維素、半纖維素、木素三大主要成分。我們常用的紙由樹木的纖維制成，纖維之間的縫隙十分小，因此在紙張內部形成了無數個細小的毛細管。當紙張和水接觸后，水通過這些細小的縫隙，在表面張力的作用下，順利浸潤了上方的紙張。

同學們，學到這里，你們知道“水逆流而上”的奧秘了嗎？生活中，很多神奇的現象都蘊藏著滿滿的科學知識，平時要多留心、多發現、多思考，才會有更多的收獲喲！

（責任編輯：陸艷）