كيفية قياس التوتر السطحي

المحتوى

خطوات
طريقة 1 من 3: استخدام ذراع الكرسي الهزاز
طريقة 2 من 3: عن طريق التأثير الشعري
طريقة 3 من 3: كيفية تحديد التوتر السطحي النسبي باستخدام عملة معدنية
ماذا تحتاج

يصف التوتر السطحي قدرة السائل على مقاومة الجاذبية. على سبيل المثال ، يشكل الماء الموجود على سطح الطاولة قطرات حيث تنجذب جزيئات الماء إلى بعضها البعض ، مما يصد الجاذبية. بسبب التوتر السطحي ، يمكن للأجسام الثقيلة ، مثل الحشرات ، أن تبقى على سطح الماء. يقاس التوتر السطحي بالقوة (N) مقسومًا على طول الوحدة (م) ، أو الطاقة لكل وحدة مساحة. القوة التي تتفاعل بها جزيئات الماء (قوة التماسك) تخلق التوتر ، مما ينتج عنه قطرات من الماء (أو سوائل أخرى). يمكن قياس التوتر السطحي ببعض العناصر البسيطة الموجودة في كل منزل تقريبًا وآلة حاسبة.

خطوات

طريقة 1 من 3: استخدام ذراع الكرسي الهزاز

1 اكتب معادلة التوتر السطحي. في هذه التجربة تكون معادلة تحديد التوتر السطحي كالتالي: F = 2Sd، أين F - القوة بالنيوتن (N) ، س - التوتر السطحي بالنيوتن لكل متر (N / m) ، د هو طول الإبرة المستخدمة في التجربة. دعونا نعبر عن التوتر السطحي من هذه المعادلة: S = F / 2d.
- سيتم حساب القوة في نهاية التجربة.
- قبل بدء التجربة ، استخدم مسطرة لقياس طول الإبرة بالأمتار.
2 قم ببناء ذراع هزاز صغير. تستخدم هذه التجربة ذراعًا متأرجحًا وإبرة صغيرة تطفو على سطح الماء لتحديد التوتر السطحي.من الضروري التفكير بعناية في بناء ذراع الروك ، حيث تعتمد دقة النتيجة عليه. يمكنك استخدام مواد مختلفة ، الشيء الرئيسي هو صنع شريط أفقي من مادة صلبة: الخشب أو البلاستيك أو الكرتون السميك.
- حدد مركز القضيب (على سبيل المثال ، قشة أو مسطرة بلاستيكية) التي ستستخدمها كقضيب عرضي ، وقم بعمل ثقب أو ثقب في هذا المكان ؛ سيكون هذا هو نقطة ارتكاز العارضة ، حيث ستدور بحرية. إذا كنت تستخدم ماصة بلاستيكية ، فثقبها بدبوس أو مسمار.
- حفر أو عمل ثقوب في نهايات العارضة بحيث تكون متباعدة بالتساوي من المركز. قم بتمرير الخيوط من خلال الفتحات لتعليق كوب الوزن والإبرة.
- إذا لزم الأمر ، ادعم الشعاع بالكتب أو بأشياء أخرى صلبة بما يكفي لإبقاء الشعاع أفقيًا. من الضروري أن يدور العارضة بحرية حول مسمار أو قضيب عالق في منتصفه.
3 خذ قطعة من ورق الألومنيوم ولفها على شكل صندوق أو صحن. ليس من الضروري على الإطلاق أن يكون لهذا الصحن شكل مربع أو دائري منتظم. سوف تملأه بالماء أو بعض الأوزان الأخرى ، لذا تأكد من أنه يمكنه تحمل الوزن.
- قم بتعليق صندوق أو صحن من رقائق القصدير من أحد أطراف الشريط. اصنع ثقوبًا صغيرة على طول حواف الصحن وخيط من خلالها حتى يتدلى الصحن من الشريط.
4 علق إبرة أو مشبك ورق من الطرف الآخر للشريط بحيث يكون أفقيًا. اربط إبرة أو مشبك ورق أفقيًا بالخيط الذي يتدلى من الطرف الآخر من الشريط. لكي تنجح التجربة ، من الضروري وضع الإبرة أو مشبك الورق أفقيًا تمامًا.
5 ضع شيئًا على الشريط ، مثل البلاستيسين ، لموازنة حاوية رقائق الألومنيوم. قبل بدء التجربة ، من الضروري التأكد من وضع العارضة أفقيًا. الصحن المعدني أثقل من الإبرة ، لذا فإن الشريط الموجود على جانب الصحن سينزل. قم بتوصيل كمية كافية من البلاستيسين بالجانب الآخر من الشريط بحيث يكون أفقيًا.
- وهذا ما يسمى بالموازنة.
6 ضع الإبرة المتدلية أو مشبك الورق في وعاء به ماء. ستتطلب هذه الخطوة جهدًا إضافيًا لوضع الإبرة على سطح الماء. تأكد من أن الإبرة لا تغرق في الماء. املأ الحاوية بالماء (أو أي سائل آخر مجهول التوتر السطحي) وضعه تحت الإبرة المعلقة بحيث تكون الإبرة على سطح السائل مباشرة.
- تأكد من بقاء الحبل الذي يحمل الإبرة في مكانه وإحكامه بدرجة كافية.
7 قم بوزن بضع دبابيس أو كمية صغيرة من قطرات الماء المقاسة على نطاق صغير. ستضيف دبوسًا واحدًا أو قطرة ماء واحدة إلى صحن الألمنيوم الموجود على الكرسي الهزاز. في هذه الحالة ، من الضروري معرفة الوزن الدقيق الذي ستخرج فيه الإبرة من سطح الماء.
- احسب عدد الدبابيس أو قطرات الماء ووزنها.
- حدد وزن دبوس أو قطرة ماء. للقيام بذلك ، قسّم الوزن الإجمالي على عدد الدبابيس أو القطرات.
- لنفترض أن 30 سنًا تزن 15 جرامًا ، ثم 15/30 = 0.5 ، أي أن دبوسًا واحدًا يزن 0.5 جرام.
8 أضف دبابيس أو قطرات ماء واحدة تلو الأخرى في صحن رقائق الألومنيوم حتى تخرج الإبرة من سطح الماء. أضف دبوسًا واحدًا أو قطرة ماء تدريجيًا. راقب الإبرة بعناية حتى لا تفوت لحظة خروجها من الماء بعد الزيادة التالية في الوزن. بمجرد خروج الإبرة من سطح السائل ، توقف عن إضافة الدبابيس أو قطرات الماء.
- احسب عدد الدبابيس أو قطرات الماء التي تسببت في خروج الإبرة في الطرف المقابل من الشريط عن سطح الماء.
- اكتب النتيجة.
- كرر التجربة عدة مرات (5 أو 6) للحصول على نتائج أكثر دقة.
- احسب متوسط النتائج التي تم الحصول عليها. للقيام بذلك ، أضف عدد المسامير أو القطرات في جميع التجارب وقسم الإجمالي على عدد التجارب.
9 قم بتحويل عدد الدبابيس إلى قوة. للقيام بذلك ، اضرب عدد الجرامات في 0.00981 نيوتن / جم. لحساب التوتر السطحي ، تحتاج إلى معرفة القوة المطلوبة لرفع الإبرة عن سطح الماء. نظرًا لأنك قمت بحساب وزن المسامير في الخطوة السابقة لتحديد القوة ، فما عليك سوى مضاعفة هذا الوزن في 0.00981 نيوتن / جم.
- اضرب عدد الدبابيس في الصحن بوزن دبوس واحد. على سبيل المثال ، إذا وضعت 5 دبابيس تزن كل منها 0.5 جرام ، فإن الوزن الإجمالي هو 0.5 جرام / دبوس = 5 × 0.5 = 2.5 جرام.
- اضرب عدد الجرامات في عامل 0.00981 نيوتن / جم: 2.5 × 0.00981 = 0.025 نيوتن.
10 أدخل هذه القيم في المعادلة وابحث عن القيمة التي تبحث عنها. يمكن استخدام النتائج التي تم الحصول عليها أثناء التجربة لتحديد التوتر السطحي. ما عليك سوى إدخال القيم التي تجدها وحساب النتيجة.
- لنفترض في المثال أعلاه أن طول الإبرة هو 0.025 متر. استبدال القيم في المعادلة ونحصل على: S = F / 2d = 0.025 N / (2 x 0.025) = 0.05 N / m. وبالتالي ، فإن التوتر السطحي للسائل هو 0.05 نيوتن / م.

طريقة 2 من 3: عن طريق التأثير الشعري

1 تعرف على تأثير الشعيرات الدموية. لفهم ظاهرة الشعيرات الدموية ، يجب أولاً التعرف على قوى الالتصاق والتماسك. يؤدي الالتصاق إلى التصاق السائل بسطح صلب مثل الزجاج. بسبب قوة التماسك ، تنجذب جزيئات السائل لبعضها البعض ، ويؤدي العمل المشترك لقوى الالتصاق والتماسك إلى ارتفاع السائل في أنابيب رفيعة.
- من ارتفاع ارتفاع السائل في الأنبوب ، يمكن حساب التوتر السطحي لهذا السائل.
- تؤدي قوى التماسك إلى تكوين فقاعات وقطرات على السطح. عندما يتلامس السائل مع الهواء ، تنجذب جزيئات السائل لبعضها البعض ، مما يؤدي إلى تكوين فقاعة.
- يؤدي الالتصاق إلى تكوين الغضروف المفصلي ، والذي يمكن ملاحظته عند نقاط ملامسة السائل لجدران الزجاج. الشكل المقعر للغضروف المفصلي مرئي للعين المجردة.
- مثال على التأثير الشعري هو رفع سائل في قش يوضع في كوب من الماء.
2 اكتب معادلة تحديد التوتر السطحي. يتم حساب التوتر السطحي على النحو التالي: S = (ρhga / 2)، أين س - التوتر السطحي، ρ - كثافة السائل الذي تم فحصه ، ح - ارتفاع ارتفاع السائل في الأنبوب ، ز - تسارع الجاذبية بسبب تأثير الجاذبية على السائل (9.8 م / ث) ، أ هو نصف قطر الأنبوب الشعري.
- عند استبدال البيانات في هذه المعادلة ، تأكد من التعبير عنها بالوحدات المترية: الكثافة بالكيلو جرام / م ، الارتفاع ونصف القطر بالأمتار ، التسارع بسبب الجاذبية بوحدة م / ث.
- إذا لم يتم إعطاء كثافة السائل مقدمًا ، فيمكن العثور عليها في الكتيب أو حسابها باستخدام كثافة الصيغة = الكتلة / الحجم.
- يقاس التوتر السطحي بوحدة نيوتن لكل متر (N / m). نيوتن يساوي 1 كجم * م / ث. لتحديد وحدات القياس بشكل مستقل ، ما عليك سوى استبدالها فقط في المعادلة ، بدون قيم عددية: S = kg / m * m * m / s * m ، إذا قلصنا مترين في البسط والمقام ، فسنحصل على 1 كجم * م / ث / م ، أي 1 نيوتن / م.
3 صب السائل المجهول التوتر السطحي في الحاوية. خذ طبقًا أو وعاءًا ضحلًا واسكب السائل فيه بحيث يغطي القاع بمقدار 2 إلى 3 سم. لا يهم كمية السائل ، الشيء الرئيسي هو أنه من الواضح بوضوح مقدار ارتفاعه في الأنبوب الشعري.
- إذا كنت ستختبر سوائل مختلفة ، فقم بتنظيف اللوحة وتجفيفها جيدًا قبل صب سائل مختلف فيها ، أو استخدم وعاءً مختلفًا في كل مرة.
4 اغمس أنبوبًا رفيعًا ونظيفًا في السائل. من ارتفاع ارتفاع السائل في هذا الأنبوب ، ستحدد التوتر السطحي.حافظ على الأنبوب نظيفًا حتى تتمكن من رؤية ارتفاع السائل فوق مستواه في الطبق بوضوح. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يكون للأنبوب نصف قطر ثابت.
- لقياس نصف القطر ، ضع مسطرة على قمة الأنبوب وحدد القطر. ثم قسّم القطر على 2 وستجد نصف القطر.
5 قس الارتفاع الذي ارتفع فيه السائل فوق مستواه في اللوحة. انقل حافة المسطرة إلى سطح السائل في الدرج وحدد مدى ارتفاع السائل في الأنبوب. يرتفع الماء في الأنبوب لأن قوة رفع التوتر السطحي تتجاوز قوة سحب الجاذبية.
6 أدخل هذه القيم في المعادلة وقم بإجراء العمليات الحسابية. بعد أن تحدد كل القيم المطلوبة ، أدخلها في المعادلة وابحث عن التوتر السطحي. تأكد من تحويل جميع القيم إلى وحدات مترية للحصول على النتيجة الصحيحة.
- افترض أننا نقيس التوتر السطحي للماء. تبلغ كثافة الماء حوالي 1 كجم / م 3 (في هذا المثال نستخدم القيم التقريبية). تسارع الجاذبية الأرضية 9.8 م / ث. اجعل نصف قطر الأنبوب 0.029 م والماء ارتفع إلى ارتفاع 0.5 م ما هو التوتر السطحي للماء؟
- استبدل القيم التي تم الحصول عليها في المعادلة واحصل على: S = (ρhga / 2) = (1 x 9.8 x 0.029 x 0.5) / 2 = 0.1421 / 2 = 0.071 J / m.

طريقة 3 من 3: كيفية تحديد التوتر السطحي النسبي باستخدام عملة معدنية

1 اجمع كل ما تحتاجه. في هذه التجربة ، ستحتاج إلى قطارة قطارة وعملة جافة وماء ووعاء صغير وسائل غسيل أطباق وزيت نباتي ومنشفة. يمكن العثور على كل هذه في المنزل أو شراؤها من متجرك المحلي. يمكنك الاستغناء عن صابون الأطباق والزيوت النباتية ، لكنك ستحتاج إلى عدد قليل من السوائل المختلفة للمقارنة.
- تأكد من أن العملة نظيفة وجافة قبل بدء التجربة. إذا كنت تستخدم عملة معدنية مبتلة ، فستحصل على نتائج غير دقيقة.
- لا تسمح هذه التجربة بحساب التوتر السطحي ؛ يمكن استخدامها فقط لمقارنة التوتر السطحي لسوائل مختلفة.
2 أسقط قطرة واحدة من السائل في المرة الواحدة على سطح العملة المعدنية. ضع العملة المعدنية على منشفة أو أي سطح آخر آمن للبلل. خذ السائل الأول في الماصة ، ثم ضع قطرة واحدة ببطء على العملة المعدنية. عند القيام بذلك ، عد القطرات. استمر حتى ينسكب السائل خارج العملة المعدنية.
- سجل عدد القطرات التي استغرقها السائل لينسكب خارج العملة المعدنية.
3 كرر هذا الإجراء بسوائل مختلفة. قم بتنظيف وتجفيف العملة المعدنية في كل مرة تقوم فيها بتغيير السائل. جفف أيضًا السطح الذي تضع عليه العملة المعدنية. استخدم ماصات مختلفة أو نظف الماصة قبل تجربة جديدة.
- جرب إضافة بعض صابون الأطباق إلى الماء ، ثم قم بتقطير الماء على عملة معدنية ولاحظ ما إذا كان التوتر السطحي قد تغير.
4 قارن عدد القطرات المطلوبة لسوائل مختلفة لملء عملة معدنية. حاول تكرار التجربة بنفس السائل عدة مرات لمعرفة ما إذا كانت النتائج دقيقة. متوسط النتائج: أضف عدد القطرات في تجارب مختلفة وقسم الإجمالي على عدد التجارب. اكتب عدد القطرات التي استغرقتها السوائل المختلفة لملء العملة المعدنية.
- كلما زادت قطرات السائل المطلوب لملء عملة معدنية ، زاد التوتر السطحي لهذا السائل.
- منظف غسيل الصحون يقلل من التوتر السطحي للماء ؛ سوف يستغرق إضافته قطرات أقل لملء العملة المعدنية.