看見表面張力.doc

99學年度臺中市國民中小學科學展覽會 作品說明書 科　　別：物理科 組　　別：國中組 作品名稱：魔力？膜力！泡膜形變力之研究 關 鍵 詞：泡膜、形變、表面張力 編 號： 作品名稱：魔力？膜力！泡膜形變力之研究 摘要 我們在玩泡膜的過程，發現泡膜會使具有彈性的塑膠光纖線彎曲變形。因此，如何測量泡膜在形變過程，張力的變化情形，甚至是否可以藉由泡膜測量溶液的表面張力，是本次實驗的目的。研究結果顯示： 1.水面對於泡膜的拉力大小，與泡膜對於支撐框架的鉛垂接觸點之寬度有關，因此可藉由框架的鉛垂接觸點寬度，計算溶液的表面張力。證明：利用水面拉力的計算，可排除泡膜本身重量所造成的誤差。 2.脫離水面的獨立泡膜，面積越大張力就越大，但在獨立泡膜達一定面積(10 cm *10cm)以後，張力大小約略維持在一定值(0.027gw/cm)且接近理論值(0.020gw/cm)。證明：以「測量獨立泡膜的形變張力」或是「測量水面對於泡膜的拉力」，來計算溶液的表面張力，都是可行的簡便測量方式。 3. 單一泡膜之張力可以微量天平或光纖線形變力量的測量進行表面張力的測定。 4.不同泡膜，在組合形變過程會以三方夾角120度的合力方式呈現泡膜的形狀。 5.不同泡膜形變力的合成，可以利用泡膜對於光纖線之張力，進行入射光吸收率的測定，計算不同泡膜的表面張力。 本次研究成果包括： 藉由界面活性劑幫助形成水溶液的泡膜，方便發展液體表面張力之簡易測量方法，提供更簡易之測量方式 (包括：獨立泡膜形變法、水面拉力法及光纖透射率法)。 運用本研究之簡易張力測量方式，藉以觀測不同泡膜之間張力之合成模式，預測泡膜形狀之合成模式，提供未來各式薄膜塑形技術之改良。 壹、研究動機 由於在製作泡膜的過程，無意間發現泡膜竟然將棉線向上拉成圓弧形，令人訝異的是泡膜好像具有彈性可以上下形變。因此，激起我們的好奇心，想了解：泡膜形變過程，力量的來源及分布情形。 根據資料我們知道：兩層肥皂分子夾少量的水溶液構成泡膜，肥皂分子成層狀排列，親水端向溶液，疏水端向外。因此肥皂能幫助保持膜維持較大的厚度。泡膜上的肥皂分子層可以減緩內部液體的蒸發，避免泡泡太快變薄。能形成泡膜最重要的原因，是肥皂分子和水分之間的吸引力比水分子之間的吸引力小，所以肥皂水溶液的表面張力大約只有純水的三分之一。當泡膜表面受到擾動而擴張時，表面的肥皂分子間的距離加大，水補充進來，使局部泡膜的表面張力變大(更像純水的表面張力)。增大的表面張力會使局部表面內縮，幫助泡膜回復原來的形狀，有利於穩定泡膜，這個效應稱為「馬倫哥尼效應」(Marangoni effect) (傅宗玫、陳正平，2001年) 。 因此，我們想藉由肥皂泡膜的形變過程，測試造成泡膜形變力量的檢測方式及能否利用泡膜的形變測定出水的表面張力。我們規劃本次研究的成效包括：希望藉由界面活性劑幫助形成水溶液之泡膜，方便發展液體表面張力之簡易測量方法，提供更簡易之測量方式。運用本研究之簡易張力測量方式，藉以觀測不同泡膜之間張力之合成模式，預測泡膜形狀之合成模式，提供未來各式薄膜塑形技術之改良。 貳、研究目的 一、單一獨立泡膜形變力量的測量與溶液表面張力之計算(獨立泡膜形變法)。 1. 單一獨立泡膜邊緣各點的形變張力分布情形。 2. 單一獨立泡膜不同面積對形變張力的影響。 二、利用泡膜接觸水面的接觸過程，測量拉力與溶液表面張力之計算(水面拉力法)。 1. 水面泡膜的高度對水面拉力的影響。 2. 框架寬度對於水面泡膜拉力之影響。 3. 框架形狀對水面泡膜張力的影響。 三、利用塑膠光纖線的形變與透射率，測量泡膜形變張力與表面張力之計算(光纖透射率法)。 1. 塑膠光纖線中點形變力與光纖線透射率關係之測量。 2. 以光纖線透射率對於泡膜張力之測定。 參、研究設備及器材 洗碗精、漆包線、三樑天平、電子天平、砝碼、雨傘支架、油性黏土、? 0.75mm塑膠光纖線、? 5mm光電阻、三用電表、鐵架、量角器。 實驗照片： 泡膜與水面間拉力的測量 泡膜與塑膠光纖線間拉力的測量 框架寬度對於水面泡膜拉力的測量 框架形狀對水面泡膜張力的測量 微量天平測量水面泡膜的張力 塑膠光纖線測量獨立泡膜的張力 雷射筆以30度角入射塑膠光纖線 塑膠光纖線張力變化測量泡膜張力 肆、研究過程、結果及討論 一、單一獨立泡膜邊緣各點形變張力的分布情形 觀察問題：棉線不下墜，反而向上出現彎曲。 假設1：分子拉力→ 表面張力→ 面積大小 (棉線各點上方面積不同→各點拉力不同) 實驗1. 固定清潔劑溶液濃度(20%)及泡膜高度(10 ㎝)寬度(10 ㎝)，測量塑膠光纖線(?0.75mm)各點(1~5㎝)各點的最大負重量，尋求代表該泡膜形變張力的測量點。 結果：表一、泡膜邊緣各