04液体膜发动机实验报告.docx
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04液体膜发动机实验报告
液体膜发动机
摘要
本文根据肥皂膜在电磁场中做旋转运动,进而对“液体膜发动机”现象进行研究。
资料分析了不同的肥皂液组成以及不同的电场强度与磁感应强度,探讨了引起“发动”的可能原因:
肥皂膜中的带电粒子受电场力与洛伦兹力共同作用,而做环形轨迹(电流穿透点为圆心)的螺旋运动,从而作为“发动力”,推动液体膜做旋转运动。
再经实验验证了“液体膜发动机”的真实存在性,对比实验测出了影响“发动”现象的三大因素:
电场强度、磁感应强度、肥皂液浓度。
得出了发动现象受不同因素的影响影响,如肥皂液浓度越高现象越明显的结论。
本文的研究将有利于了解“液体膜发动”的原因,对理解带电粒子在较复杂电磁场中的运动有一定的指导意义。
关键字:
肥皂膜、电场强度、磁感应强度、液体膜发动机。
一、问题重述
“Liquidfilmmotor”Formasoapfilmonaflatframe.Putthefilminanelectricfieldparalleltothefilmsurfaceandpassanelectriccurrentthroughthefilm.Thefilmrotatesinitsplane.Investigateandexplainthephenomenon.
液体膜发动机使⼀一个肥皂膜在平整的边框上形成。
将膜放在平⾏行于膜⾯面的电场中并通上贯穿膜的电流。
膜会在所在平⾯面中旋转。
研究并解释这个现象。
二、研究背景
肥皂膜:
肥皂泡是非常薄的形成一个带虹彩表面的空心形体的肥皂水的膜。
肥皂泡的存在时间通常很短,它们会因触碰其它物体或维持于空气中太久而破裂(地心吸力令肥皂泡上方的膜变薄)。
由于它们很脆弱,它们也成为美好但不实际的东西的隐喻。
它们经常被用作孩童的玩物,但他们在艺术表演中的使用也表明它们对于成人也是很有吸引力的。
肥皂泡还可能帮助解决空间的复杂的数学问题,因为他们总是会找到点或者边之间的最小表面。
肥皂泡的存在是因为液体(通常是水)的表面层有一种特定的表面张力,它导致该层的行为像弹性膜。
一个常见误解是以为肥皂增加了水的表面张力。
实际上肥皂做了相反的事情,它将张力减少到大约是纯水的三分之一。
肥皂不增强泡泡,它只是稳定它们,通过一种称为Marangoni效应的作用。
随着肥皂膜的拉伸,肥皂的密度减小,使得表面张力增加。
这样,肥皂选择性的加强了气泡的最弱部分并倾向于防止它们被进一步拉伸。
另外,肥皂也减少了蒸发,使得气泡维持更久。
三、理论分析
(一)肥皂膜的成分
肥皂原料:
油脂(多种动物油、植物油的混合物),碱(多为氢氧化钠)
肥皂成分:
脂和碱发生皂化反应,生成的主要成分是硬脂酸钠,其分子式是C17H35COONa(碳17氢35+碳+氧+氧+钠)(也可以写成RCOONa,由氢氧化钠[NaOH]和碱合油脂发生反应产生)。
如果在里面加进香料和染料,就做成既有颜色,又有香味的香皂了;如果往里面加特定药物(如硼酸或石炭酸),就变成了药皂。
肥皂膜成分:
肥皂溶于水即为肥皂水,其化学组成就是肥皂膜的成分了。
肥皂水的主要溶质是硬脂酸钠(C17H35COONa),此为弱酸强碱盐,在水中水解为钠离子和脂肪酸根离子,脂肪酸为弱酸,易与水中氢离子结合成脂肪酸,从而使肥皂水中出现过多氢氧根离子,使其呈弱碱性。
所以,肥皂膜的主要带电成分应是,钠离子、氢氧根离子、脂肪酸根离子、及极少量的氢离子。
(二)肥皂膜在电磁场中现象研究
按题目所述,肥皂膜置于平行其表面的均匀电场中,中央贯穿以电流,则肥皂膜会自发旋转。
下面来探究这一现象。
1.电磁场环境
贯穿电流产生一个环形磁场,磁感线环绕方向平行于肥皂膜平面,且由内而外磁感应强度逐渐减弱。
肥皂膜所处的电磁环境即为环形磁场与匀强电场的叠加。
2.带电粒子在电磁场中的运动
首先以钠离子为例,其他各离子原理相同。
钠离子首先受电场力作用,开始顺电场线方向做匀加速直线运动,然而由于其处于电流激发的环形磁场中,运动会产生洛伦兹力,使其在垂直磁感线方向上做圆周运动。
对其速度进行分解,分解为沿磁感线方向与垂直于磁感线方向,沿磁感线方向的速度不产生洛伦兹力,垂直于磁感线的速度使其受洛伦兹力而作圆周运动。
两者叠加,则其最终以螺旋运动的方式沿磁感线前进(离子尺度很小,故视其在匀强磁场中运动)。
前进过程中受电场力做正功作用,速度不断增大,当其到达磁感线与电场线垂直相交的位置时,电场力做功达到最大,此后离子由于惯性继续绕磁感线运动就会克服电场力做功,即电场力做负功,这个过程持续到钠离子动能为零为止。
在电场力分别作正功与做负功的两个过程中,离子始终是以螺旋运动绕磁感线前进。
由于磁感线是闭合的圆圈,也就意味着离子在连续的两个过程中皆是沿着圆圈运动的。
设想以特殊情况,钠离子从所在磁感线的正下方开始运动(初始位置),则由对称性可知,它在完成两个过程之后,最终会回到起点(理想状态),而下一时刻,它将重复刚才的运动。
对于其他初始位置,会有相似的结果,会进行圆周运动,而不一定会形成完整的圆周。
对于其他离子(脂肪酸根离子、氢氧根离子)来说,运动类型与钠离子相同,不同之处在于运动的方向相反(因为所带电荷与钠离子相反)。
综上,肥皂膜中各离子都以螺旋运动的形式作圆周运动,其轨迹类似环形的细长弹簧。
3.宏观运动分析
显然,肥皂膜中的阴离子(脂肪酸根、氢氧根)离子在质量和体积上都远大于阳离子(钠离子),所以在运动过程中阴离子会对肥皂膜起到更大的推力作用,从而使肥皂膜沿与阴离子相同的方向做旋转运动,这就是液体膜发动机的“发动”原理。
四、演示实验
1.实验目的
(1)研究“液体膜发动机”现象;
(2)研究不同肥皂水浓度、电流强度和电场强度作用下的效果,并得出使肥皂膜旋转的电磁场条件;
(3)探讨影响旋转的因素。
2.实验装置和器材
起泡器1只:
制作肥皂膜
干电池(1.5V)8节:
产生电场,电流电源
铁片2片:
产生电场,面积要尽量大于肥皂膜直径多一些
导线若干
肥皂一块
烧杯一只
支架一个
3.实验过程
i.
将肥皂溶解于水中获得肥皂水备用;
将铁片用导线连接到干电池两极,两铁片相对放置,中间产生电场;
ii.
用一导线穿过起泡器中央,两端连接电池;
将起泡器连同导线浸入肥皂水中,小心取出,获得中央贯穿以电流的肥皂膜;
iii.
将电场(通电铁片)加到肥皂膜上,观察现象(注意应先加磁场后加电场);
分别调节电场强度,电流强度,肥皂水浓度而保持其他两变量不变(控制变量法),分别进行实验,观察记录现象;
实验结果如下:
实验一
电场强度
2节电池
电流强度
2节电池
肥皂水浓度
5%
8%
11%
现象
缓慢旋转
旋转较明显
旋转最明显
实验二
肥皂水浓度
8%
电流强度
2节
电场强度
2节
4节
6节
现象
缓慢旋转
旋转较明显
开始稍有旋转,后现象消失
实验三
肥皂水浓度
8%
电场强度
2节
电流强度
1节
2节
3节
现象
缓慢旋转
旋转较明显
有明显现象
iv.研究分析结果
由实验结果可知,实验参量电场强度、电流强度(磁场强度)、肥皂水浓度都对实验现象产生影响。
且其浓度或强度越大现象越明显,电场强度除外。
肥皂水浓度越大,则肥皂膜中带电粒子越多,其运动对宏观影响越大,故现象越明显;
电流越大,磁场强度越大,就越能将粒子束缚在磁感线轨迹上运动,反映到宏观,肥皂膜的旋转现象越明显;
电场强度越大,粒子受电场力越大,其运动过程中克服阻碍的能力越强,即对膜的推动能力越强,所以电场强度越大现象越明显;然而当电场强度增大到一定程度时,由于电场作用力远大于磁场的洛伦兹力,则会使粒子脱离开磁感线轨迹,或不玩钱沿磁感线环形轨迹运动,在较短时间内阴阳离子各自聚集到电场正负两极,从而停止运动,所以电场强度过大时,现象会消失。
五、总结归纳
本文通过原理分析,解释了“液体膜发动机”现象发生的可能原因,即:
肥皂膜中的带电粒子受电场力与洛伦兹力共同作用,而做环形轨迹(电流穿透点为圆心)的螺旋运动,从而推动液体膜做旋转运动。
通过实验验证,采用不同电场强度、磁感应强度、肥皂液浓度的对比实验,验证了“液体膜发动机”现象的真实存在性,得出液体膜的旋转运动与液体浓度、电场强度、磁感应强度有关。
但本文中仍存在一些不足,理论上带电粒子的微观运动研究不够透彻,所解释的引起“液体膜发动”的原因有些牵强;研究的因素有些单一,液体膜运动的现象可能不仅只与电场强度、磁感应强度、肥皂液浓度有关,还有其他因素有待进一步深入研究;实验所测的电场强度、磁感应强度不够精确,只是进行了定性探究,可改用专业设备进行精确测定与控制,可能会有更精确的效果。
这些都是接下来工作改进的方向,将力争达到一个更高的理论水平和更精确的实验效果。
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