Jak zmierzyć napięcie powierzchniowe

Wideo: Eksperymenty - napięcie powierzchniowe wyjaśnienie DIY #jakpoliczyć

Zawartość

Kroki
Metoda 1 z 3: Korzystanie z wahacza
Metoda 2 z 3: przez efekt kapilarny
Metoda 3 z 3: Jak określić względne napięcie powierzchniowe za pomocą monety?
Czego potrzebujesz

Napięcie powierzchniowe opisuje zdolność płynu do opierania się grawitacji. Na przykład woda na blacie stołu tworzy kropelki, gdy cząsteczki wody przyciągają się do siebie, co przeciwdziała grawitacji. To właśnie dzięki napięciu powierzchniowemu na powierzchni wody mogą znajdować się cięższe przedmioty, takie jak owady. Napięcie powierzchniowe jest mierzone jako siła (N) podzielona przez jednostkę długości (m) lub energię na jednostkę powierzchni. Siła, z jaką oddziałują cząsteczki wody (siła kohezji) tworzy napięcie, w wyniku którego powstają kropelki wody (lub innych cieczy). Napięcie powierzchniowe można zmierzyć za pomocą kilku prostych przedmiotów znajdujących się w prawie każdym domu i kalkulatora.

Kroki

Metoda 1 z 3: Korzystanie z wahacza

1 Zapisz równanie napięcia powierzchniowego. W tym doświadczeniu równanie określające napięcie powierzchniowe jest następujące: F = 2Sd, gdzie F - siła w niutonach (N), S - napięcie powierzchniowe w niutonach na metr (N/m), D to długość igły użytej w eksperymencie. Wyraźmy napięcie powierzchniowe z tego równania: S = F / 2d.
- Siła zostanie obliczona na końcu eksperymentu.
- Przed rozpoczęciem eksperymentu zmierz linijką długość igły w metrach.
2 Zbuduj mały wahacz. Ten eksperyment wykorzystuje wahacz i małą igłę, która unosi się na powierzchni wody, aby określić napięcie powierzchniowe.Konieczne jest dokładne rozważenie konstrukcji wahacza, ponieważ od tego zależy dokładność wyniku. Możesz użyć różnych materiałów, najważniejsze jest wykonanie poziomego paska z czegoś twardego: drewna, plastiku lub grubej tektury.
- Określ środek pręta (na przykład słomkowej lub plastikowej linijki), której zamierzasz użyć jako poprzeczki, i wywierć lub wybij w tym miejscu otwór; będzie to punkt podparcia poprzeczki, przy której będzie się swobodnie obracał. Jeśli używasz plastikowej słomki, po prostu przebij ją szpilką lub gwoździem.
- Wywierć lub wybij otwory na końcach belki poprzecznej, aby były równomiernie rozmieszczone od środka. Przełóż nitki przez otwory, aby zawiesić kubek obciążeniowy i igłę.
- Jeśli to konieczne, podeprzyj belkę książkami lub innymi wystarczająco twardymi przedmiotami, aby utrzymać belkę poziomo. Konieczne jest, aby poprzeczka obracała się swobodnie wokół gwoździa lub pręta wbitego w jego środek.
3 Weź kawałek folii aluminiowej i zwiń go w kształt pudełka lub spodka. Wcale nie jest konieczne, aby ten spodek miał regularny kwadratowy lub okrągły kształt. Napełnisz go wodą lub innym ciężarem, więc upewnij się, że wytrzyma ciężar.
- Zawieś pudełko lub spodek z folii aluminiowej na jednym końcu batona. Zrób małe otwory wzdłuż krawędzi spodka i przewlecz je tak, aby spodek zwisał z pręta.
4 Zawieś igłę lub spinacz do papieru z drugiego końca pręta tak, aby był poziomy. Przywiąż igłę lub spinacz do papieru poziomo do nici zwisającej z drugiego końca drążka. Aby eksperyment się powiódł, konieczne jest ustawienie igły lub spinacza do papieru dokładnie poziomo.
5 Umieść coś na batonie, na przykład plastelinę, aby zrównoważyć pojemnik z folii aluminiowej. Przed rozpoczęciem eksperymentu należy upewnić się, że poprzeczka znajduje się poziomo. Spodek foliowy jest cięższy niż igła, więc pasek z boku spodka opadnie. Przymocuj wystarczającą ilość plasteliny po przeciwnej stronie paska, aby była pozioma.
- Nazywa się to równoważeniem.
6 Umieść zwisającą igłę lub spinacz do papieru w pojemniku z wodą. Ten krok będzie wymagał dodatkowego wysiłku, aby umieścić igłę na powierzchni wody. Upewnij się, że igła nie zanurza się w wodzie. Napełnij pojemnik wodą (lub inną cieczą o nieznanym napięciu powierzchniowym) i umieść go pod wiszącą igłą tak, aby igła znalazła się bezpośrednio na powierzchni cieczy.
- Upewnij się, że lina trzymająca igłę pozostaje na miejscu i jest wystarczająco napięta.
7 Odważ kilka szpilek lub niewielką ilość odmierzonych kropli wody na małej wadze. Do aluminiowego spodka na bujaku dodasz jedną szpilkę lub jedną kroplę wody. W takim przypadku konieczne jest poznanie dokładnej wagi, przy której igła odbije się od powierzchni wody.
- Policz liczbę szpilek lub kropelek wody i zważ je.
- Określ wagę jednej szpilki lub kropli wody. Aby to zrobić, podziel całkowitą wagę przez liczbę szpilek lub kropli.
- Załóżmy, że 30 szpilek waży 15 gramów, a następnie 15/30 = 0,5, czyli jedna szpilka waży 0,5 grama.
8 Dodaj pojedynczo szpilki lub kropelki wody do spodka z folii aluminiowej, aż igła oderwie się od powierzchni wody. Stopniowo dodawaj jedną szpilkę lub kroplę wody. Uważnie obserwuj igłę, aby nie przegapić momentu, w którym po kolejnym zwiększeniu ciężaru wypadnie z wody. Gdy igła zejdzie z powierzchni płynu, przestań dodawać szpilki lub kropelki wody.
- Policz liczbę szpilek lub kropelek wody, które spowodowały, że igła na przeciwległym końcu pręta oderwała się od powierzchni wody.
- Zapisz wynik.
- Powtórz eksperyment kilka (5 lub 6) razy, aby uzyskać dokładniejsze wyniki.
- Oblicz średnią otrzymanych wyników. Aby to zrobić, dodaj liczbę szpilek lub kropli we wszystkich eksperymentach i podziel sumę przez liczbę eksperymentów.
9 Konwertuj liczbę pinów na siłę. Aby to zrobić, pomnóż liczbę gramów przez 0,00981 N / g. Aby obliczyć napięcie powierzchniowe, musisz znać siłę potrzebną do podniesienia igły z powierzchni wody. Ponieważ w poprzednim kroku policzyłeś wagę kołków, aby określić siłę, wystarczy pomnożyć tę wagę przez 0,00981 N / g.
- Pomnóż liczbę szpilek w spodku przez wagę jednej szpilki. Na przykład, jeśli włożysz 5 szpilek, każda ważąca 0,5 grama, ich całkowita waga wyniesie 0,5 grama / szpilka = 5 x 0,5 = 2,5 grama.
- Pomnóż liczbę gramów przez współczynnik 0,00981 N / g: 2,5 x 0,00981 = 0,025 N.
10 Podłącz te wartości do równania i znajdź wartość, której szukasz. Wyniki uzyskane podczas eksperymentu można wykorzystać do określenia napięcia powierzchniowego. Wystarczy wpisać znalezione wartości i obliczyć wynik.
- Załóżmy, że w powyższym przykładzie długość igły wynosi 0,025 metra. Podstawiając wartości do równania otrzymujemy: S = F / 2d = 0,025 N / (2 x 0,025) = 0,05 N / m. Zatem napięcie powierzchniowe cieczy wynosi 0,05 N/m.

Metoda 2 z 3: przez efekt kapilarny

1 Dowiedz się o efekcie kapilarnym. Aby zrozumieć zjawiska kapilarne, należy najpierw zapoznać się z siłami adhezji i kohezji. Adhezja powoduje, że ciecz przywiera do twardej powierzchni, takiej jak szkło. Dzięki sile kohezji cząsteczki cieczy są przyciągane do siebie, a połączone działanie sił adhezji i kohezji powoduje, że ciecz unosi się w cienkich rurkach.
- Z wysokości wznoszenia się cieczy w rurce można obliczyć napięcie powierzchniowe tej cieczy.
- Siły kohezyjne prowadzą do tworzenia się pęcherzyków i kropelek na powierzchni. Kiedy ciecz wchodzi w kontakt z powietrzem, cząsteczki cieczy przyciągają się do siebie, co powoduje powstanie bańki.
- Adhezja prowadzi do powstania menisku, który jest zauważalny w miejscach kontaktu cieczy ze ściankami szkła. Wklęsły kształt menisku jest widoczny gołym okiem.
- Przykładem efektu kapilarnego jest podnoszenie cieczy w słomce umieszczonej w szklance wody.
2 Zapisz równanie określające napięcie powierzchniowe. Napięcie powierzchniowe oblicza się w następujący sposób: S = (ρhga / 2), gdzie S - napięcie powierzchniowe, ρ - gęstość badanej cieczy, h - wysokość podniesienia cieczy w tubie, g - przyspieszenie grawitacyjne od grawitacji działającej na ciecz (9,8 m/s), a to promień kapilary.
- Podstawiając dane do tego równania, upewnij się, że są one wyrażone w jednostkach metrycznych: gęstość w kg / m, wysokość i promień w metrach, przyspieszenie grawitacyjne w m / s.
- Jeśli gęstość cieczy nie jest podana z góry, można ją znaleźć w podręczniku lub obliczyć ze wzoru gęstość = masa/objętość.
- Napięcie powierzchniowe mierzone jest w niutonach na metr (N/m). Newton jest równy 1 kg * m / s. Aby niezależnie określić jednostki miary, po prostu podstaw je do równania, bez wartości liczbowych: S = kg / m * m * m / s * m.Jeśli zmniejszymy dwa metry w liczniku i mianowniku, otrzymamy 1 kg * m / s / m, czyli 1 N / m.
3 Wlej do pojemnika płyn o nieznanym napięciu powierzchniowym. Weź płytki talerz lub miskę i wlej do niej płyn tak, aby przykrył dno na 2-3 centymetry. Ilość płynu nie ma znaczenia, najważniejsze jest to, że wyraźnie widać, jak bardzo podniesie się w rurce kapilarnej.
- Jeśli zamierzasz eksperymentować z różnymi płynami, dokładnie wyczyść i osusz płytkę przed wlaniem do niej innego płynu lub użyj za każdym razem innego pojemnika.
4 Zanurz czystą, cienką rurkę w płynie. Z wysokości unoszenia się płynu w tej rurce określisz napięcie powierzchniowe.Utrzymuj rurkę przezroczystą, aby wyraźnie zobaczyć, jak wysoko ciecz uniesie się ponad poziom w naczyniu. Ponadto rura musi mieć stały promień.
- Aby zmierzyć promień, po prostu przyłóż linijkę do górnej części rury i określ średnicę. Następnie podziel średnicę przez 2, a znajdziesz promień.
5 Zmierz wysokość, na jaką ciecz wzniosła się ponad poziom na płytce. Przesuń krawędź linijki do powierzchni cieczy w tacce i określ, jak wysoko ciecz uniosła się w rurce. Woda w rurze podnosi się, ponieważ siła unosząca napięcia powierzchniowego przekracza siłę przyciągania grawitacji.
6 Podłącz te wartości do równania i wykonaj obliczenia. Po ustaleniu wszystkich wymaganych wartości wprowadź je do równania i znajdź napięcie powierzchniowe. Pamiętaj, aby przekonwertować wszystkie wartości na jednostki metryczne, aby uzyskać poprawny wynik.
- Załóżmy, że mierzymy napięcie powierzchniowe wody. Gęstość wody wynosi około 1 kg/m3 (w tym przykładzie posługujemy się wartościami przybliżonymi). Przyspieszenie ziemskie wynosi 9,8 m/s. Niech promień rury wynosi 0,029 m, a woda podniosła się na wysokość 0,5 m. Jakie jest napięcie powierzchniowe wody?
- Zastąp uzyskane wartości równaniem i uzyskaj: S = (ρhga / 2) = (1 x 9,8 x 0,029 x 0,5) / 2 = 0,1421 / 2 = 0,071 J / m.

Metoda 3 z 3: Jak określić względne napięcie powierzchniowe za pomocą monety?

1 Zbierz wszystko, czego potrzebujesz. Do tego eksperymentu będziesz potrzebować zakraplacza, suchej monety, wody, małej miski, płynu do mycia naczyń, oleju roślinnego i ręcznika. Wszystko to można znaleźć w domu lub kupić w lokalnym sklepie. Możesz obejść się bez mydła do naczyń i oleju roślinnego, ale do porównania będziesz potrzebować kilku różnych płynów.
- Upewnij się, że moneta jest czysta i sucha przed rozpoczęciem eksperymentu. Jeśli użyjesz mokrej monety, otrzymasz niedokładne wyniki.
- Ten eksperyment nie pozwala na obliczenie napięcia powierzchniowego, można go jedynie wykorzystać do porównania napięcia powierzchniowego różnych cieczy.
2 Upuszczaj po jednej kropli płynu na powierzchnię monety. Połóż monetę na ręczniku lub innej powierzchni, która jest bezpieczna do zamoczenia. Nabierz pierwszy płyn do pipety, a następnie powoli nanieś jedną kroplę na monetę. Robiąc to, policz krople. Kontynuuj, aż płyn wyleje się poza monetę.
- Zapisz, ile kropli zajęło wylanie się płynu poza monetę.
3 Powtórz tę procedurę z różnymi płynami. Wyczyść i osusz monetę przy każdej wymianie płynu. Wysusz również powierzchnię, na której kładziesz monetę. Użyj różnych pipet lub wyczyść pipetę przed nowym eksperymentem.
- Spróbuj dodać trochę mydła do naczyń do wody, a następnie nalej wody na monetę i sprawdź, czy napięcie powierzchniowe się zmieni.
4 Porównaj liczbę kropli wymaganych do napełnienia monety różnymi płynami. Spróbuj powtórzyć eksperyment z tą samą cieczą kilka razy, aby sprawdzić, czy wyniki są dokładne. Uśrednij wyniki: dodaj liczbę kropli w różnych eksperymentach i podziel sumę przez liczbę eksperymentów. Zapisz, ile kropel zajęło różne płyny, aby napełnić monetę.
- Im więcej kropel danego płynu potrzeba do napełnienia monety, tym wyższe napięcie powierzchniowe tego płynu.
- Detergent do mycia naczyń obniża napięcie powierzchniowe wody; dodanie go zajmie mniej kropli, aby wypełnić monetę.