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1. 실험 동기 및 목적
연못에 있는 소금쟁이가 물 위에 떠서 미끄러지듯 다니는 모습을 보고 신기해서 책을 찾아보았더니 소금쟁이가 아주 가볍기 때문이기도 하지만 물의 표면에서 물이 서로 당기는 힘이 작용하기 때문이라고 했다. 이 힘을 표면 장력이라고 하는데 이를 실험으로 알아보고자 했다.
2. 표면 장력이란..
(1) 개요
액체의 자유표면에서 표면을 작게 하려고 작용하는 장력.
(2) 내용
비누방울이나 액체 속의 기포?물방울 등이 구상이 되는 것은 이 힘이 액면에 작용하기 때문이며, 용기의 가장자리에 액체가 넘쳐 올라간 모양이 되어 쏟아지지 않는 것도 액체 표면에 장력이 작용하기 때문이다. 수면에 떨어뜨린 기름방울이 금방 퍼지는 것은 물의 표면장력이 기름의 표면장력보다 크고, 기름층이 물의 표면장력에 의해 잡아 늘여지기 때문이다.
일반적으로 표면장력은 액면의 근소한 더러움에도 영향을 받으며, 더러운 액체 표면에는 액체 내부와는 관계없이 표면장력의 크기에 기인하는 표면 독자적인 운동이 나타난다. 표면장력의 세기는 액면에 가정한 단위 길이의 선의 양쪽에 작용하는 장력에 의해 표시된다. 그 값은 액체의 종류에 따라 결정되는 상수이지만, 온도에 따라서도 변한다. 예로 수은의 표면 장력은 487(15℃), 물은 72.75(20℃), 알코올은22.3 (20℃)로 물질에 따라 상당한 차가 있으며, 그 값은 온도가 올라감에 따라 감소한다. 또 어떤 종류의 물질을 액체에 녹이면, 그 액체의 표면장력을 감소시키는 작용이 있다. 물에 대한 비누 등은 그 대표적 예이며, 이런 종류의 물질을 표면 활성물질이라고 한다.
표면장력이 생기는 것은 액체의 분자간 인력의 균형이 액면 부근에서 깨지고, 액면 부근의 분자가 액체 속의 분자보다 위치에너지가 크고, 이 때문에 액체가 전체로서 표면적에 비례한 에너지(표면 에너지)를 가지기 때문이며, 이것을 될 수 있는 대로 작게 하려고 하는 작용이 표면장력으로 나타난다. 따라서 표면장력은 단순히 액체의 자유표면뿐만…(생략)
아니라 섞이지 않는 액체의 경계면, 고체와 기체, 고체와 고체의 접촉면 등, 대체로 표면의 변화에 대한 에너지가 존재할 때 생기는 현상이다. 이 때문에 표면 장력 대신 계면 장력이라고도 한다.
3. 실험 과정 및 결과
실험 1. 물 위에 클립 띄우기
(1) 준비물
큰 그릇, 클립, 물, 화장지
(2) 실험 과정
① 큰 그릇에 물을 반쯤 채운다.
② 클립을 화장지 위에 올려놓는다.
③ 클립이 놓인 화장지를 살며시 물 위에 띄운다.
④ 물 위에 띄운 화장지와 클립을 살펴본다.
(3) 결과
물 위에 띄운 화장지는 잠시 후 가라앉지만, 클립은 물의 표면 장력때문에 그대로 물 위에 떠 있게 된다.
실험 2. 비누막 터트리기
(1) 준비물
철사(지름 2mm정도) 15cm, 비눗물, 큰 그릇
(2) 실험 과정
① 매끄럽고 곧은 철사로 원모양의 고리와 막대를 만든다.
② 철사 고리의 가운데에 철사 막대를 올려놓고 비눗물 속에 담근 후 얇은 막이 고리 전체에 덮히도록 하여 들어 올린다.
③ 손가락으로 한쪽 비누막을 터트린다.
(3) 결과
철사 막대가 터지지 않은 비누막의 당기는 힘(표면 장력) 때문에 터지지 않은 쪽으로 움직여 간다.
실험 3. 성냥개비 움직이기
(1) 준비물
큰 그릇, 성냥, 물, 비눗물
(2) 실험 과정
① 물이 담긴 그릇에 성냥개비 여러 개를 한끝을 모아서 띄운다.
② 그릇의 가운데에 비눗물을 한 방울 떨어트린다.
(3) 결과
비눗물이 물의 표면 장력을 약하게 하여 성냥개비가 바깥쪽으로 퍼져 나간다.
실험 4. 물이 가득 찬 컵에 동전 넣기
(1) 준비물
우리컵, 동전, 물
(2) 실험 과정
① 컵에 물을 가득 채운다.
② 컵 속에 동전을 조심스럽게 넣는다.
물이 넘치지 않을 때까지 동전을 넣는다.
(3) 결과
물 표면의 모양이 볼록해 졌는데 동전을 넣고도 물이 흘러내리지 않는 것은 표면 장력 때문이다.
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