第四十五届中小学科学展会.docx

1、第四十五届中小学科学展会第四十五屆中小學科學展會作品說明書科 別：物理科組 別：高中組作品名稱：液體介面性質的研究與討論關 鍵 詞：內聚力、附著力、接觸角編號：壹、摘要偶而在池塘邊可以看見一些水蜘蛛在水面上行走，心想牠們一定是練就了一身如同武俠小說中水上漂的好本領，但是為何我們人類就無法達到呢？經過這幾年來，我們在自然科學中所學，知道那是由水面的表面現象所造成。而表面現象種類繁多，作用結果也有很多的變化。本實驗主要的內容，便是為了探討液體與介面之間，內聚力與附著力的變化關係。實驗的流程大致如下：一、了解同類分子間的內聚力與異類分子間的附著力為何。二、改變介面與液面的作用角度，觀察兩者之間接觸角

2、的變化情形。三、再逐一改變液體與介面性質，觀察接觸角的變化情形。貳、研究動機在求學過程中，生物課老師曾經說過，維持生命現象需要有陽光、空氣、水等三個要素。在我們生活周遭，海洋就佔據了71% 的地球表面，而水一直以來就是生命中不可或缺的重要因子。每當我們裝杯水來喝時，我們偶然可以注意到水面、水與杯子交界之處有一些不尋常現象，那便是我們所知道的內聚力與附著力。因為這兩種力量的影響，我們以量筒計量水量時，必需平視水面下凹之處，作為水面的測量位置。若改計量水銀體積時，則必需平視水銀面上凸之處。但是，偶然間我們觀察到，如果水面與作用面不是呈現直角關係時，同樣的水與作用面間的作用力卻使得水面有機會呈現突起

3、的情況。我們發現在某些角度會有較明顯的突起變化，同時在不同的液體會有不同的變化，而這就是液體的內聚力與附著力兩種力量作用的結果。再藉由這些現象的觀察，我們希望能更加了解內聚力與附著力的奧秘。參、研究目的本實驗的主要目的如下：一、改變液面與介面的作用角度，觀察接觸角的變化情形。二、改變介面與液體種類，觀察液體表面與介面間的接觸角變化情形。三、找出相對應之內聚力與附著力的關係。肆、研究設備及器材名 稱規 格/材 質數 量/體 積透明玻璃水缸16cm16cm16cm1長條型木板10cm30cm0.5cm10鉚釘6透明膠帶塑膠1止滑膠帶PVC1易撕膠帶塑膠1水（添少許紅墨水）3600ml工業用酒精36

4、00ml量角器1伍、研究過程一、液體與固體間的介面現象（一）、同類分子間的作用力為內聚力，而異類分子間的作用力為附著力：當我們學習液體界面現象時知道，同類分子間的具有的吸引力，稱為內聚力。而異類分子之間也具有吸引力，稱為附著力。仔細觀察裝在容器的液體表面，在中央部份固然為水平面，但是靠近容器壁處可見到液面往上彎曲或向下內縮成一弧面。若以玻璃管盛裝液體，則管徑越愈小，這種呈新月狀的弧面就愈明顯。如果玻璃管盛裝水，則管內的水柱面呈現周邊向上彎曲的弧面（圖一）。這是由於靠近管壁的水面層分子同時受到內聚力合附著力作用的結果。（二）、內聚力與附著力的關係：考慮當玻璃管內的水面呈水平面時，位在水面合管碧交

5、界處A點的一個水分子的受力情形（如圖一所示）。F2為管壁分子吸引該水分子的附著力；F1為水體內部的分子吸引該水分子的內聚力。由於對稱關係，F1和管壁之間成45度角，應此F1在水平面和鉛直面方向的分子量值各等於。如果F2，則兩力的合力R的方向指向管壁的外側。由於液體容易流動，不能承受平行於其表面的橫向力，故在A點的液面必須垂直於合力R，因此平衡時的水面如圖一。圖中的角為在液體內部接觸管壁的液面和管壁之間的夾角，稱為接觸角。接觸角決定於一體的種類以及接觸面的性質，若F2，則接觸面為銳角。如果玻璃管內所盛裝的液體為水銀，則管內的水銀呈現週邊向下內縮彎曲的弧面（如圖二所示）。圖二所示位為在水銀面和管壁

6、交界處A點的一個水銀分子的受力情形。由於F2，所以合力指向管壁的內側；平衡時的水銀面如圖二所示。由圖上可知，若F2，則接觸面為直角，即容器內的水面完全呈水平；若F2，接觸角為鈍角。【參考資料一】 我們先以接觸角為銳角的情形來說明。已知R為F1與F2的合力，附著力F2恆與管壁垂直，內聚力F1為接觸角角平分線的方向，而A點的液面恆與R垂直。所以我們以管壁為y軸，F2的方向為x軸，可知若將兩式相除，可得整理後得知F2F1我們可以令因此，當90時，。可知液面與管壁垂直，接觸角為直角。而當我們將接觸角改為鈍角時發現，值亦為二、觀察液體表面與介面間接觸角的變化情形（一）、我發現當介面與液面不是垂直時，接觸

7、角會隨之改變。因此我們利用轉動的木板，觀察木板兩側之接觸角，隨木板轉動時的變化情形。（二）、我們首先利用水做為本次實驗的液體，但為了方便觀察，我們添加了一點紅墨水。再將木板兩側包覆透明膠帶，依序改變木板與液面法線的夾角為10、20、30、40、50、60。觀察並記錄左右兩側接觸角的變化情形。計算對應之值。（三）、接著我們改變木板的包覆材料，依序為止滑膠帶、易撕膠帶，重複步驟（二）。觀察並記錄左右兩側接觸角的變化情形。計算對應之值。（四）最後，我們將使用的液體換成工業用酒精，並重複步驟（二）、（三）。觀察並記錄左右兩側接觸角的變化情形。計算對應之值。陸、研究結果一、水（添加少許紅墨水）（一）、木

8、板表面包覆材質：透明膠帶(圖一)木板與液面法線的夾角()右側左側接觸角()值接觸角()值1026.72.1654573.80.832752049.11.2034195.50.675483075.20.8194898.50.660014083.20.7531098.70.659025094.10.6831199.50.6551160104.00.63451100.50.65033圖一（二）、木板表面包覆材質：止滑膠帶(圖二)木板與液面法線的夾角()右側左側接觸角()值接觸角()值1040.91.4310747.11.251412056.51.0563740.01.461903067.00.905

9、9039.51.479654073.50.8656727.72.088725086.40.730419.65.9753060103.60.636255.610.23546圖二（三）、木板表面包覆材質：易撕膠帶(圖三)木板與液面法線的夾角()右側左側接觸角()值接觸角()值1034.01.7101520.41.379552058.11.0297137.51.497873066.80.9083060.82.239644086.20.7317761.50.736595091.00.7010267.50.7659860108.40.6164768.71.49787圖三 二、工業用酒精（一）、木板表面包

10、覆材質：透明膠帶(圖三)木板與液面法線的夾角()右側左側接觸角()值接觸角()值1027.72.0887237.01.575772039.11.4941730.51.900923061.30.9807924.52.356524076.90.8040813.54.253975085.70.735128.17.0794560102.40.641577.57.64489圖三 （二）、木板表面包覆材質：止滑膠帶(圖四)木板與液面法線的夾角()右側左側接觸角()值接觸角()值1047.01.2539243.21.358242058.21.0281036.91.579893082.90.7553335.0

11、1.662754093.00.6893028.02.0067850110.20.6096424.02.4048760117.10.5861015.53.70780圖四 （三）、木板表面包覆材質：易撕膠帶(圖五)木板與液面法線的夾角()右側左側接觸角()值接觸角()值1039.01.4978747.11.251412056.01.0650332.71.775903067.90.8953021.12.730854081.20.7683215.23.780545089.00.7133611.74.9055960112.50.601346.39.09915圖五 柒、討論針對本實驗的結果，我們進行了以下

12、的討論：一、不同液體對角度所呈現的突起現象：（一）、就水(紅墨水)對角度而言：在某些介面下，我們可以發現，再大約5060時，水會產生一邊凸起一邊凹向下的現象，但在1020時，我們很難觀察出水的附著力，因此角度對附著力有著極大的關係。（二）、就酒精對角度而言：在某些介面下，我們可以發現，酒精在1020的時候我們發現就有些微的凸起現象，在5060我們發現非常之明顯的變化，但是酒精的給介面的附著力則與水有些不同，介面所呈現的變化非像水一樣一邊凹一邊凸，而是兩邊皆呈現凸起之狀況。二、不同液體對塑膠介面的影響：（一）、我們可以發現，水所給予塑膠介面的附著力沒有非常的明顯，因此我們試著使用各種墨水來改變水

13、的顏色，最後發現水(紅墨水)其效果最明顯。（二）、就酒精對塑膠介面而言：我們可以發現，酒精對塑膠介面的凸起變化量遠大於水，因此我們可以大膽的說酒精的附著力比水大。三、液體對不同介面(透明塑膠膠帶、易撕膠帶、止滑膠帶)的附著力（一）、就液體透明塑膠膠帶而言：其表面較光滑，凸起得現象也較為明顯，因此水的 附著力在摩擦力較小的狀況下較為明顯。（二）、就液體對易撕膠帶而言：就其表面而言，表面有許多小細紋，且材質也比透 明膠帶來的有摩擦力，水爬升的高度為次高。（三）、就液體對止滑膠帶而言：其表面極為粗糙，相當於接近於顆粒的程度，因此 水改變角度的情形也較不明顯。捌、結論經由本次的實驗結果，對於溶液和介面

14、的物理變化，我們可以獲得以下的結論：（一）、利用溶液和介面的角度進行分析與討論，我們可以發現在大約5060時，溶液給介面的附著力呈現最大值。 （二）、而在液體方面經由實驗得知酒精的附著力明顯大於水。 （三）、如果再觀察介面我們可以看的出來不同的介面對於溶液的附著力也會明顯有不同的凸起變化。 （四）、塑膠透明膠帶在水中方面，而由實驗數據得知，當木板轉動角度越大，其左右 的值相差越小。由易撕膠帶來討論之，其在水中左右側的值在30左右時， 其值相差最大。再由止滑膠帶討論之，其木板轉動角度越大，左右的值相差 越大。 （五）、以工業酒精來討論之，透明膠帶在酒精中所呈現的效過與水相反，然而止滑膠 帶與易撕膠帶在工業酒精中，左右側的值表現出來的效果比較接近，表現出 來的折線圖也相當接近，尤其止滑膠帶在10時，左右側測得的值呈現接近 1：1的關係玖、參考資料一、南一書局高中物質科學物理篇(下)編撰委員會由林明瑞等人所編譯之。名國92年二月再版,台灣,南一書局企業股份有限公司。第十章P145146