表面張力與相關科學遊戲

在學生的生活經驗裡，「水」是每日會接觸到的重要物質，水的「表 面張力」效應在生活中也隨處可見，例如清晨佇足在小草上的「圓形」露 珠或水黽恣意在水面上滑行等，是讓學生探索科學的奧秘及體認生活處處 有科學的最佳媒介；但是「表面張力」的概念並不在小學階段的正式課程 出現，所以研究者遂以「水的表面張力」作為本研究科學遊戲教學設計的 主題。本節先說明表面張力的概念，再介紹坊間科學遊戲書籍中與水的表 面張力有關的科學遊戲。

一、表面張力

維基百科（2007）對表面張力（Surface tension）的敘述如下：

表面張力是一種物理效應，它使得液體的表面總是試圖獲得最小的、光滑的面積，

就好像它是一層彈性的薄膜一樣。其原因是液體的表面總是試圖達到能量最低的 狀態。廣義地所有兩種不同物態的物質之間界面上的張力被稱為表面張力。表面 張力的符號是σ或γ，單位是牛頓/米。

李怡嚴（民 72）對表面張力是如何產生有較詳細的說明：

一個分子在液體內受四周圍分子的吸引力，而分子吸引力是無向性的（平均來 說），所以此分子在各方向所受的吸引力約相等，因此所受淨力等於零。但在液 面的分子，它在液面上下兩方向所受的力並不相等，它在液面上的部分受已氣化 的分子的吸引力，在液面下的部分仍受液內的分子吸引，因為氣化的分子密度較 小，而且與液面分子的距離遠大於分子力的範圍，故在液面的分子受到一個往液 內拉的力量。因此當液內分子到達表面時，因受此拉力的影響，其速率會減低，

以能量觀點來看，該分子的動能會減少，而位能增加。因此，若液體的表面越大，

則在表面的分子越多，故其總位能越大。但在力學裡，一個質點系統在穩定平衡

時，一定在最小位能。所以液體若在平衡狀態時，則必使其面積最小，以使之有 最少的位能，也就是說，它有一種縮小表面積的傾向，以使其保持平衡狀態。（李 怡嚴，民 72，pp.612-613）

水是液體，具有表面張力效應。水龍頭滴出的水滴（圖 2-3-1）或清 晨小草上的露珠（圖 2-3-2）幾乎凝結成球狀，一些昆蟲如水黽能在水面 上滑行（圖 2-3-3），還有密度大於水的迴紋針能漂浮在水面上而不下沉

（圖 2-3-4）等現象，都是因為受到水的表面張力作用。

圖 2-3-1 水滴

圖 2-3-2 露珠

圖2-3-3 水黽在水面上滑行

圖 2-3-4 迴紋針受到水的表面張力 作用而浮在水面上

表面張力與溫度有關，當溫度增加時，液體表面分子變成氣體的速率 增加，所以表面分子間的平均距離加大，使得分子之平均分子內力減小，

因此表面張力變小；除了水銀外，水的表面張力在普通的液體中為最大，

在 20℃時為 0.073N/m，100℃時為 0.059 N/m（李端貞等譯，民 86）。日 常生活及工業上較常使用之液體在 20℃時的表面張力數值如下表 2-3-1 所 示。

表 2-3-1 液體在 20℃時的表面張力數值

液體 表面張力（N/m）

丙酮 0.0233

苯 0.0289

乙醇 0.02255

n-己烷 0.0184

甲醇 0.0226

n-戊烷 0.016

聚乙烯 0.0361

聚醚酮 0.046

聚四氟乙烯 0.0225

汞 0.476

水 0.07275

資料來源：維基百科，2007

蔡尚芳（民 92）認為一般高中與大學普通物理學的教材中，對表面張 力的說法通常較為簡略，因此容易引起混淆或誤解，例如以下常見的說 法：「表面張力指的是表面上的任一線段，在與表面平行、但與該小線段 垂直的方向上，每單位長度所受的作用力。」便為文釐清有關表面張力的 一些概念，特別是造成液體表面出現「表面張力」的作用力方向。他的敘 述如下：

表面張力其實是一種能量密度，指的是在絕對零度時，或當溫度變化所引起的效 應可忽略時，要將液體分子由內部移到表面（有時亦稱界面或介面），使表面的 面積增加一單位時，外力所需做的功；換言之，表面張力其實就是表面上每一單 位面積內的液體分子，比起這些分子在液體內部時所增加的位能。導致此內部與

表面位能差異的分子作用力，其方向其實是與液體的表面垂直，而非平行。（蔡 尚芳，民 92，p.21）

表面張力在力學上的概念解釋，以國小學童的認知發展程度來看，恐 怕無法理解，況且本研究目的在於讓學童發掘探索科學的樂趣，養成主動 學習與喜愛學習的態度，並藉由動手操作中，主動建構科學概念。教師若 需對學生講解原理時，應考量學生的發展及能力，以學生能理解的語言加 以說明。陳偉民（民 89）對表面張力的解釋可提供教師對國小學童解說表 面張力的參考，其說法如下：

水是由許多小分子組成的，分子與分子間有吸引力，內部的分子受到各個方向的 吸引力，而互相抵銷了。但是在表面的分子只受到內部分子對它的吸引力，並沒 有受到來自外部的水分子吸引力，所以合力的結果造成它們會感受到向內的吸引 力，這就是表面張力的由來。這種力量，使得液體分子都會盡量縮小自己的表面 積，這就是清晨花瓣上的露珠會呈圓球形的原因，因為在體積一定時，球形的表 面積是最小的。表面張力也使靜止的水面好像有一層薄膜，可使昆蟲和針不會沉 入水中。但是如果你想學昆蟲站在水面而不下沉，是不可能的，因為你的體重太 大，表面張力無法承擔。這也是我們從來不曾看過大型水珠的理由，因為水的重 量大時，會克服表面張力，把圓球形的水珠壓垮！（陳偉民，民 89，p.33）

二、表面張力相關科學遊戲

研究者蒐集坊間科學遊戲相關書籍（蒐集歷程詳述於第三章第四節，

pp.56-57），其中有 36 本書（見附錄一）中的科學遊戲活動，與「水的 表面張力」作用有關。研究者將原理解釋相同或類似的活動分為同一類，

聚焦出十個遊戲類別，並賦予名稱，操作方法說明如下：

（一）文字大變身：將泡棉中心處挖一個 直徑約 1 公分的圓形洞，在洞的背 面貼上一片透明片，接著將水滴入 洞口，讓水面凸出泡棉，而完成一

支簡易放大鏡。 圖 2-3-5 文字大變身

（二）看誰面皮厚：取兩個相同大小的玻 璃杯，一杯裝水，一杯裝洗碗精稀 釋液，兩杯水位皆控制與杯口齊 平，接著將一元硬幣一個個緩緩的 分別放入兩杯中，看兩杯各容納了 幾個硬幣後，液體才會溢出杯子。

圖 2-3-6 看誰面皮厚

（三）漂浮的金屬：利用技巧及平穩的手，

將平時會下沉的縫衣針、迴紋針及 圖釘等金屬小物品平放於水面上，

使其漂浮。

圖 2-3-7 漂浮的金屬

（四）滴水不漏：

1.將紗布蓋在杯口，並用橡皮筋圈 住 固 定 後 ， 將 杯 子 整 個 放 進 水 裡，裝滿水，倒立取出水面，水 並不會流出。

圖 2-3-8 滴水不漏（1）

2.將兩個相同大小的玻璃杯放入水 中，裝滿水後，杯口相對扣好，

取出水面，立於平台上，再將一 枚 十 元 硬 幣 夾 在 兩 杯 口 的 接 合 處，當硬幣安置好後，兩杯中的 水不會從杯緣與硬幣夾角間的縫 隙流出。

圖 2-3-9 滴水不漏（2）

（五）水上風光：在水面上撒一層薄薄的 滑石粉，用沾了洗碗精稀釋液的手 指碰觸一下水面中央，只見滑石粉 立刻迅速地向水盆的四周散開並漸 漸下沉。

圖 2-3-10 水上風光

（六）水上競速：利用牛奶紙盒或投影片 等不吸水且質輕的材質，剪出前尖 後平的小船樣子，在船尾沾上少許 洗碗精後，輕放於水面上，則見小 船朝船頭方向快速前進。

圖 2-3-11 水上競速

（七）匯集的水流：在寶特瓶接近瓶底處，

鑿三個間距 0.5 公分的小孔，接著 將寶特瓶裝滿水，讓水從孔中流 出，成三條獨立的小細流。用手指 把三條細流捻在一起，手移開後三

圖 2-3-12 匯集的水流

條細流便吸附在一起，形成一股匯 集的水流，手指快速拂過三個小孔 時，三條小細流會再次分開。

（八）大壩潰堤：將水一滴滴的滴在十元 硬幣表面上，直到水擴散碰觸到硬 幣的四周，水面呈現隆起而水不會 溢出硬幣表面，接著在隆起的水面 中央滴一滴洗碗精稀釋液，只見水

面立刻潰散使水溢出硬幣表面。 圖 2-3-13 大壩潰堤

（九）大風吹：杯子裝水至約 8 分滿，將 軟木塞表面浸濕後，放入水面中 央，則見軟木塞被牽引吸附在杯 壁，接著慢慢注水到杯裡，使水面 上升並凸出於杯口，這時軟木塞會 被牽引停留在杯子中央。

圖 2-3-14 大風吹

（十）伸縮簾幕：用鐵絲做成一邊開口的 長方形框架，在框架上面綁上由線 控制的活動式鐵絲，接著將此裝置 浸入肥皂水後取出，此時把線輕輕 一拉就會形成一層薄薄的肥皂簾 幕，手一鬆，簾幕又再縮回去。

圖 2-3-15 伸縮簾幕