利用水的表面张力,让水珠像一颗“滚动的球”一样,在光滑表面上滚动,同时利用记号笔的油性墨水作为“轨道”,引导水珠的滚动路径。

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下面我们分步进行详细解释:
第一步:核心材料及其特性
要理解这个实验,首先要明白两种材料的“性格”:
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水:
- 特性: 具有表面张力,你可以把水的表面想象成一层紧绷的弹性薄膜,水分子之间会互相吸引(内聚力),这使得水倾向于聚集成球状,以最小的表面积存在,这就是为什么水滴在荷叶上会滚成球形,而不是散开。
- 关键点: 水是极性分子,容易溶解其他极性物质(比如盐、糖),但很难溶解非极性物质(比如油)。
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记号笔:
(图片来源网络,侵删)- 特性: 记号笔的墨水通常是油性的,油性墨水的主要成分是树脂、颜料和溶剂,它们是非极性的。
- 关键点: 记号笔写在纸上或光滑表面上后,会形成一层不溶于水的疏水(防水)轨迹,这就是我们实验中的“轨道”。
第二步:实验过程与原理解析
我们把这两种材料放在一起,看看会发生什么:
绘制“轨道”(记号笔的作用)
- 你用记号笔在玻璃、瓷砖或塑料板上画线。
- 这条线留下了油性墨水的痕迹。
- 这条痕迹是疏水的,意味着它“讨厌”水,水不会浸润它,而是会尽量避开它。
滴下水珠(水的作用)
- 你用滴管或手指,在轨道的起点滴下一小滴水。
- 由于表面张力,水会立刻收缩成一个近似球形的小水珠。
水珠的“神奇”滚动(核心原理)
最关键的部分来了,水珠为什么会沿着你画的线走,而不是乱跑?
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表面张力的不均衡: 水珠在运动时,它的底部会接触到两种不同的表面:
- A区域: 光滑的玻璃/瓷砖板,这个表面是亲水的(喜欢水),水珠与它的接触面积会比较大。
- B区域: 记号笔画的线,这个表面是疏水的(讨厌水),水珠会极力减少与它的接触,只形成一个很小的接触点。
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最小化能量原理: 自然界的一切都倾向于向能量更低、更稳定的状态发展,对于水珠来说,就是总表面积要最小。
(图片来源网络,侵删)- 如果水珠试图偏离轨道,滚到旁边没有画线的光滑区域(A区域),它会与大面积的亲水表面接触,这会“拉扯”水珠,使其变形,增大表面积,从而增加表面能,这是水珠“不想”做的。
- 相反,如果水珠老老实实地待在记号笔的轨道(B区域)上,它只需要与一条很窄的疏水表面接触,而大部分身体都“悬”在空中,这样,水珠能最大限度地保持球形,总表面积最小,能量最低,状态最稳定。
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水珠会被一种无形的力量“推”着或“引导”着,沿着那条由疏水油墨构成的轨道滚动,它不是被“吸”过去,而是被旁边的光滑表面“挤”过去的,它选择了一条“阻力最小”的路。
毛细作用的辅助(让轨迹更明显)
- 当你滴下的水珠比较大,或者记号笔画的线比较粗时,水珠会与轨道形成一个微小的“V”形夹角。
- 在这种情况下,毛细作用就开始起辅助效果了,毛细作用是指液体在细管状物体内侧,由于附着力(液体分子与管壁分子的吸引力)大于内聚力(液体分子自身的吸引力),而克服重力上升的现象。
- 记号笔的油墨轨道就相当于一个“微小的管子”,水会通过毛细作用,稍微“渗”入轨道的边缘,让水珠与轨道的接触更紧密,从而让轨迹看起来更清晰、更“吸附”在上面。
总结与类比
你可以用一个简单的类比来理解:
想象一下,你在光滑的冰面上走路,旁边就是草地。
- 冰面 = 光滑的板子(亲水)
- 草地 = 记号笔画的线(疏水)
- 你 = 水珠
你会选择走在冰面上还是草地上?当然是你觉得更舒服、阻力更小的冰面上,但如果我们把“草地”变成一条狭窄的、比冰面更舒服的小路(记号笔轨道),你就会自然而然地沿着这条小路走,水珠的行为也是如此,它选择了一条让它感觉最“舒服”、能量最低的路径。
注意事项:
- 表面必须光滑: 如果表面太粗糙,水珠会卡在缝隙里,无法滚动。
- 水量要适中: 水太少形不成水珠,水太多则会漫过轨道,实验失败。
- 记号笔要防水: 必须是油性马克笔,水性笔(如钢笔、中性笔)会遇水化开,无法形成疏水轨道。
“抖音水加记号笔”的原理,就是利用水的表面张力使其成球,再利用油性记号笔的疏水性(不沾水)特性来构建一条低能量的“轨道”,从而引导水珠的滚动方向,这是一个非常直观且有趣的物理现象演示。
