Lab 103 — ความตึงผิว: วิธีดึงห่วงลวด (3D)

วัตถุประสงค์

เมื่อจบการทดลองนี้ นักเรียนสามารถ

1. อธิบายว่าความตึงผิวคือแรงที่ผิวของเหลวดึงต่อหนึ่งหน่วยความยาวของขอบ γ = F/L
2. วัดความตึงผิวของน้ำด้วยวิธีดึงห่วงลวด จากแรงเพิ่มสูงสุดก่อนฟิล์มขาด
3. แสดงว่าแรงที่ต้องใช้แปรผันตรงกับความยาวขอบของห่วง และสารลดแรงตึงผิว (สบู่) ทำให้ γ ลดลง
4. หาความตึงผิวของของเหลวปริศนา X

อุปกรณ์ (เสมือนจริง)

• ห่วงลวดแพลทินัมรัศมี 1.50 cm และ 2.50 cm แขวนด้วยลวด 3 เส้นกับเซนเซอร์แรงดิจิทัล ละเอียด 0.1 mN มีค่าสด และ PEAK (ค่าสูงสุดตั้งแต่กดล้าง)
• จานแก้วใส่ของเหลววางบนแท่นยก ปรับขึ้น-ลงได้ละเอียด
• ของเหลว: น้ำ · น้ำสบู่ · เอทานอล · ของเหลวปริศนา X

ขั้นตอน

1. ห่วงอยู่ในอากาศ: กด 📟 เซนเซอร์แรง อ่านน้ำหนักห่วง W
2. ยกจานขึ้นจนห่วงจมใต้ผิวของเหลวเล็กน้อย · กด ↺ ล้าง PEAK
3. ลดจานลงช้า ๆ (หรือกด ⤵ ลดช้า ๆ อัตโนมัติ) ฟิล์มของเหลวจะยึดห่วงไว้และยืดตัว แรงที่เซนเซอร์อ่านเพิ่มขึ้นจนฟิล์มขาด
4. อ่านค่า PEAK = F_max · ΔF = F_max − W · γ = ΔF/(4πr) · บันทึก
5. ทำซ้ำกับห่วงอีกขนาด และของเหลวชนิดอื่น · ของเหลว X อย่างน้อย 2 ครั้ง

ตารางบันทึกผล (ตัวอย่างหัวตาราง)

คำถามท้ายการทดลอง

1. ทำไมความยาวที่ใช้คำนวณจึงเป็น 4πr ไม่ใช่ 2πr
2. ความตึงผิวของน้ำสบู่ต่างจากน้ำอย่างไร เหตุใดสบู่จึงช่วยให้น้ำแทรกเข้าไปในเส้นใยผ้าได้ดี
3. ทำไมการลดจานเร็วเกินไปจึงทำให้ค่าที่วัดได้ต่ำกว่าจริง
4. แมลงจิงโจ้น้ำเดินบนผิวน้ำได้อย่างไร

1. ความตึงผิว

โมเลกุลที่ผิวของเหลวถูกโมเลกุลด้านล่างดึงเข้าหาเนื้อของเหลว ผิวของเหลวจึงทำตัวคล้ายแผ่นยางยืดที่ตึงอยู่ · แรงที่ผิวดึงต่อหนึ่งหน่วยความยาวของขอบเรียกว่าความตึงผิว

2. วิธีดึงห่วงลวด