利用光源投影測量表面張力

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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


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%