利用光源投影測量表面張力

利用喇叭在液體表面產生毛細波(capillary wave)並利用光源投影的方式測量波長進而求得表面張力。	實驗材料： 1.7吋喇叭 1個 2.雙面膠(勿貼在隔板上)與無痕膠帶各1 卷 3.訊號產生器1 台 4.壓克力盒1 個 5.壓克力板1個 6.計算機1 台 7.尺1 個 8.白紙5 張 9.漆包線1條 10.支架2 組包含菱形夾與三叉夾各2 個 11.BNC 線1 條 12.電源線1 條 13.木塊 14個 14.燈源1個 15.剪刀1 把 16.抹布1 條 17.塑膠收納盒1 個

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現象說明：

探究問題：（此為引導，學習者必須要提出合理的假說）

• 2.1思考點波源在水中如何形成水波。
• 2.2思考毛細波與繩波的共通點。
• 2.3思考繩波波長的定義與測量。
• 2.4思考毛細波波長的定義與測量。
• 2.5思考如何藉由投影的方式得到毛細波波長。

實作項目

• 3.1試著取適當的物理量，線性回歸出表面張力
  • 3.1.1實驗數據圖

• 3.1.2分析實驗結果

分析與結論

• 4-1 能藉由觀察公式來推論並分析出相關趨勢線。
• 4-2 能從所記錄數據與繪製的數據圖中，瞭解還有需要設計實驗與執行的項目。

教學目標與評量

• 5.1 利用現有器材資源，與學習到的知識。考驗學生能否融會貫通，以及取適當物理量來實驗分析。
• 5.2 讓學生學習科學素養，即探究現象，最後精緻化結果。

參考資料

Problem for the IYPT 2014 http://iypt.org/Home

參考說明

• 2.1思考點波源在水中如何形成水波。

藉由示範影片中以常見的點波源去擾動水面形成水波，再進而引導學生認識到水波的形成主要原因，主要是因為水分子彼此間之吸引力所引起的表面張力。

• 2.2思考毛細波與繩波的共通點。

手拉動繩子產生繩波，如同這實驗的漆包線拉動水波表面產生水波，表面張力波其實就類似水面上的漣漪，產生原因也包含表面張力，如同上下振動繩子產生繩波一般，繩波波速和繩張力、線密度相關，漣漪的波速也和表面張力、液體密度相關。

• 2.3思考繩波波長的定義與測量。

複習過去所學波的單元內容，引導學生說出波的構造有波峰、波谷、振福，再進而得出兩波峰或者兩波谷間的距離為繩波波長。

• 2.4思考毛細波波長的定義與測量。

由於毛細波在水表面傳遞會造成水面上下震盪，將相鄰且有相同的震盪相位的波連線會形成一波前，兩相鄰波前之距離就剛好為毛細波波長。

• 2.5思考如何藉由投影的方式得到毛細波波長。

將一光源擺放於水波槽下方並將一白紙至於水波槽上方，當光源透過波谷時會匯聚在白紙上形成亮紋，則當光源透過波谷時會發散所以在白紙上形成暗紋，再去量測所觀測到之兩亮紋或兩暗紋間距就可以得毛細波波長。

• 3.1 試著取適當的物理量，線性回歸出表面張力
  • 3.1.1 實驗數據圖

• 3.1.2 分析實驗結果

表面張力實驗值= 0.07 N/m，30°C 條件下理論值=0.0710 N/m，誤差1.41%