趣味物理小实验
(感谢陈礼明同学提供思路,下述仅为想象和理论,实际操作或未易知) 首先给小实验起个名字:奇怪的喷水现象
实验材料:一个广口杯子(参考横截面积约为25cm2,高度为10cm),两根上下为空的细玻璃管【或者塑料管,但玻璃管透明易于观察】(参考横截面积1cm2,长度5cm),2份半透膜【只允许水分子通过而不允许蔗糖溶液通过】(可用鸡蛋膜来替代),清水(或者蒸馏水),蔗糖溶液(参考浓度0.1mol/L)。
实验步骤:1.准备材料,将半透膜小心地贴在两根细玻璃管底(可用胶水固定)
2. 在两根细玻璃管中分别小心加入4cm3的清水(①号)和蔗糖溶液(②号) 3. 将广口杯子中加入水至高度为6cm,放入①号插至没入水中1cm的位置 【发现①中水面下降,广口杯子中水面上升,最后二者平齐】
4. 取出①号,倒掉杯中部分水至6cm,放入②号插至没入水中1cm的位置 【发现②中水面迅速上升,喷出水来,而后水流变缓】
*注:因为清水和蔗糖溶液是无害的,那么细玻璃管手握即可了(毕竟没有这样小的夹子吧。。。镊子的话又太容易滑落了)【所以用粗一些的玻璃管不失为一种好选择】
参考样图:【我在纸上手绘就好啦~,这里画个草图吧】
灵感来源:上文提到是陈礼明给予的灵感。这是一次生物课讲半透膜时,陈礼明奇思妙想而得到的产物呢!陈礼明提供了大致的想法,这里将其具体化、理论化。
理论分析:通过查阅相关资料可知:高浓度溶液和低浓度溶液中存在渗透压,当对高浓度溶液提供的压力达到渗透压后可以阻止渗透作用。那么没有达到自然就不能阻止了,从而低浓度溶液中水大量渗入高浓度溶液,导致其喷出水来。这里可以通过适当计算证明:
通过范特霍夫渗透定律:π=cRT(其中π为渗透压(kPa),c为溶质的摩尔浓度(我觉得可能是浓度差(mol/L)),R为热力学常数(8.31J/(mol·k),T为热力学温度(K)),计算水压和渗透压(此处略),证明了渗透会发生,从而细玻璃管②中液面不降反升。而再计算临界值,证明细玻璃管②中满溢时仍在渗透,从而出现“喷泉现象”。随着喷水过程,浓度差减小,知道渗透压约为水压,喷水变缓直到停止。对于①,都是清水自然不会有什么变化,就相当于往里面倒水了吧。
考虑优化:1.蔗糖溶液浓度可以适量提高(但是不宜过高,毕竟范特霍夫渗透定律只可以粗略适用于理想的稀溶液,可谓极其受限制了)
2. 细玻璃管也许可以改为下粗上细,这样可能渗透现象会更明显一些。
3. 可以考虑维持细玻璃管中的高浓度,这样可能需要一些奇奇怪怪的膜。。。而且不一定存在,这里就不做考虑了。(毕竟理想状态下,什么都是有可能的,但是要考虑实际啊!)
总结:只是一个人的yy罢了,是否能实现有待验证。