实验二、液体表面张力系数的测定(拉脱法)

1、实验二、液体表面张力系数的测定（拉脱法）,表面张力存在于极薄的,表面层内，表面分子力作用,的结果,能够说明液体的许多,现象。例如泡沫的形成、润,湿现象等。表面张力的大小,可用表面张力系数来描述。,测定表面张力系数的方法很,多，,常用的方法有拉脱法、,毛细管法、液滴测重法和最,大气泡压力法。本实验用拉,脱法测定液体表面张力系数。,实验二、液体表面张力系数的测定（拉脱法）,?,?,?,?,实验目的,实验内容,实验重点,实验主要仪器设备及,材料,?,?,?,?,实验简介,实验原理,实验步骤,思考与讨论,一、实验目的,1.,掌握用拉脱法测定室温下水表面张力系数的方法。,2.,掌握焦利氏称测量微小力的原

2、理和方法。,二、实验内容,1.,弹簧的劲度系数,K,测定。,2.,焦利称的使用。,3.,用拉脱法测定室温下水表面张力系数的方法。,三、实验重点,1.,焦利氏秤独特的设计原理。,2.,测量读数时要保证“三线对齐”。,3.,液体表面张力产生的原因即拉水膜力度的掌握。,四、实验主要仪器设备及材料：,焦利氏称，金属丝框（框宽约,3cm,），细长金属,杆（长约,30cm,），砝码几个（,1,克和,2,克），镊子、铝,盘、弹簧（三种型号），温度计，游标卡尺，蒸馏水,烧杯,酒精。,五、实验简介,为什么少量水银在干净的玻璃板上会收缩成球冠状，,而水却会扩展开来？为什么朝霞里青草上会洒满晶莹的,露珠？其原因在于

3、液体和固体界面附近分子的相互作用。,表面张力描述了液体表层附近分子力的宏观表现，在船,舶制造、水利学、化学化工、凝聚态物理中都能找到它,的应用。,测量液体的表面张力系数有多种方法，如最大炮压,法、平板法（亦称拉普拉斯法）、毛细管法、焦利氏称,法、扭利天平法等。,这里只介绍焦利氏称法。在本实验中要着重学习焦,利氏称独特的设计原理，用它测量液体的表面张力系数。,六、实验原理,1.,焦利氏秤,焦利氏秤是一个倒立的精密的弹簧秤，主要,部分是一空管立柱秤框,1,和套在,1,内的能上下移,动的金属杆,2,，,2,上有毫米刻度（用以读出高,度），其横梁上挂有一弹簧,4,（,1,顶端有螺旋，,固定弹簧秤用），

4、弹簧下挂平面镜,5,（镜面有,一线），,5,下挂砝码盘。弹簧秤由锥形弹簧、,带小镜子的金属挂钩及砝码盘组成。带镜子的,挂钩从,1,上固定的平衡指示玻璃管,6,（中部有一,线）内穿过，且不与玻璃管相碰。秤框,1,上还,固定可以上下移动的载物平台,7,（,7,固定后，通,过螺丝,8,微调位置），可作弹簧伸长量读数用,的游标。转动升降旋钮,3,可控制弹簧,4,和金属杆,2,的升降，从而拉伸弹簧，确定伸长量，根据,胡克定律可以算出弹力的大小。,9,为底脚螺丝，,可以调节焦利氏秤水平。,焦利氏秤和普通的弹簧秤有所不同：普通弹簧秤是,固定上端，通过下端移动的距离来称衡，而焦利氏秤则,是在测量过程中保持下端

5、固定在某一位置，靠上端的位,移大小来称衡。其次，为了克服因弹簧秤自重引起弹性,系数的变化，把弹簧做成锥形。,由于焦力氏秤的特点，在使用中应保持让小镜中的,指示横线、平衡指示玻璃管上的刻度线及其在小镜中的,像三者对齐，简称为三线对齐，作为弹簧下端的固定起,算点。,焦利氏秤上常附有三种规格的弹簧。可根据实验时,所测力的最大数值及测量精密度的要求来选用。,2,、原理,当液体和固体接触时，若固体和液体分子间的吸引力,大于液体分子间的吸引力，液体就会沿固体表面扩展，这,种现象焦润湿。若固体和液体分子间的吸引力小于液体分,子间的吸引力，液体就不会在固体表面扩展，叫不润湿。,润湿与不润湿取决于液体、固体的性

6、质，如纯水能完全润,湿干净的玻璃，但不能润湿石蜡；水银不能润湿玻璃，却,能润湿干净的铜、铁等。润湿性质与液体中杂质的含量、,温度以及固体表面的清洁程度密切相关，实验中要予以特,别注意。,液体表层内分子力的宏观表现，使液面具有收缩的趋,势。想象在液面上划一条线，表面张力就表现为直线两侧,的液体以一定的拉力,F,相互作用,而且力的方向恒与线段垂,直，其大小与线段,l,长成正比，即,F,?,?,?,l,（,1,）,这种张力垂直于该直线且与线的长度成正比，比例系数,?,称为液体的表面张力系数，它表示单位长度线段两端,?,1,液体的相互作用力。表面张力系数的单位为,N,?,m,。,现将一洁净的,型金属丝

7、框（如图）悬挂在灵敏弹簧,的测力计上，然后把它浸到液体中。当缓缓提起测力计,时，在,型金属丝框内就会形成双面水膜。,设,型金属丝的直径为,d,；金属丝框的内宽为,l,、重力,mg,、受浮力,f,；弹簧向上的拉力为,F,；,h,为水膜被拉断前的,?,高度；表面张力为,F,，则,型金属丝的受力平衡条件为：,F,弹簧,?,f,浮力,?,mg,金属丝框的重力,?,ldh,?,g,拉起的水膜的重力,?,F,?,液体表面张力,（,2,）,设接触角为,，由于水膜宽度为（,），则表面张力,?,l,?,d,为：,（,3,）,F,?,液体表面张力,?,2,?,(,l,?,d,),cos,?,缓慢拉起型金属丝至水面

8、时，接触角趋近于零，上式,中,，即代入上式，得,cos,?,?,1,（,4,）,F,弹簧,?,f,浮力,?,mg,金属丝框的重力,?,ldh,?,g,拉起的水膜的重力,?,2,?,(,l,?,d,),通常，与,L,相比，,d,是很小的，以至于可以忽略不计，,故上式可以改写为：,F,弹簧,?,f,浮力,?,mg,金属丝框的重力,?,ldh,?,g,拉起的水膜的重力,?,2,?,l,用,W,表示金属线框所受的重力和浮力之差，即,W,?,mg,金属丝框的重力,?,f,浮力,则上式又可以改写为：,F,弹簧,?,W,?,Ldh,?,g,拉起的水膜的重力,?,2,?,l,（,5,）,（,6,）,（,7,）

9、,由上式，可以推出液体的张力系数：,(,F,?,W,),?,ldh,?,g,拉起的水膜的重力,?,?,2,l,（,8,）,3,、证明,F,?,W,由（,8,）式可见，要测液体张力系数，需要测量测,量,F,?,W,、水膜高度,h,和型金属丝的长度,l,。为了得,到,F,?,W,，我们可以换成另外一个表达式表示，即,F,?,W,?,?,?,L,?,L,0,?,?,h,?,k,?,F,液体张力,?,W,下面是对此式成立的证明。,证明：,设当锥形弹簧,4,下挂有平面镜,5,，平面镜,5,下挂型,金属丝，调节盛水的烧杯和升降扭，型金属丝刚好与,水面水平，此时金属杆的读数,L,（设没有挂型金属丝时，,0,

10、L,00,弹簧平衡态时金属杆的读数,）。则型金属丝的受,力为：,k,(,L,0,?,L,00,),?,f,浮力,?,mg,金属丝框的重力,（,9,）,设调节升降扭，型金属丝拉起水膜高度为,h,，金属杆,的读数,L,，此时，型金属丝的受力为：,k,(,L,?,L,00,?,h,),?,f,浮力,?,F,液体张力,?,mg,金属丝框的重力,?,ldh,?,g,水膜重力,（,10,）,(10)-,（,9,）得到：,k,(,L,?,L,0,?,h,),?,f,浮力,?,F,液体张力,?,ldh,?,g,水膜重力,（,11,）,把（,6,）式、（,7,）式代入（,11,）得到,F,?,W,?,?,?,L

11、,?,L,0,?,?,h,?,k,?,F,液体张力,?,W,（,12,）,七、实验步骤,L,0,L,、,h,、,l,d,。,由,(8),式和,(12),式，要测张力系数需测,k,、,1,、确定焦利氏秤上锥形弹簧的劲度系数,(1),把锥形弹簧，带小镜子的挂钩和小砝码盘依次安装到,秤框内的金属杆上。调节支架底座的底脚螺丝，使秤,框垂直，小镜中的指示横线、平衡指示玻璃管上的刻,度线及其在小镜中的像三线对齐，挂钩上下运动时不,至与管摩擦。,(2),逐次在砝码盘内放入砝码（从,1g,加到,6g,），调节升降,钮，做到三线对齐。记录升降杆的位置读数。用逐差,法和作图法计算出弹簧的劲度系数。,(3),分组求

12、差法求出,k,*,。,0,.,1,2,2,(,x,?,x,),?,u,(,k,),?,u,?,u,u,(,k,),?,(4),误差处理：,，,，,c,A,B,u,(,k,),?,3,n,(,n,?,1,),(5),k,?,k,*,?,u,c,(,k,),2,i,A,B,2,、测量,L,0,和,L,扭动升降扭,3,使型金属丝下降，刚与水面接触，记,录金属杆的读数,L,0,；调节水杯高度，使型金属丝和水,面刚好相平。扭动升降扭,3,，缓慢拉起弹簧直至水膜破坏,为止。记录金属杆的读数,L,。,L,?,L,0,重复,6,次，求出,的平均值。,3,、测量,h:,用一根细长金属杆代替弹簧，步骤同,2,做拉

13、断,水膜的操作，记录的读数,L,0,?,为和,L,?,。,（,13,）,?,h,?,L,?,?,L,0,重复,6,次，求出,h,的平均值。,4,、测量型金属丝的长度,l,及其直径,d,，,6,次。,5,、计算水的表面张力系数及其标准不确定度。注明实验,时的水温。,（,1,）由（,8,）式、（,12,）式和（,13,）式得到：,*,?,?,?,),?,g,(,L,?,L,0,),?,(,L,?,L,0,),k,?,l,d,(,L,?,?,L,0,?,?,2,l,?,?,?,?,2,?,?,?,?,2,?,?,?,?,2,?,?,?,2,?,?,?,?,?,?,?,u,c,(,?,),?,?,?,

14、?,u,(,L,?,L,),?,u,(,L,?,L,),?,?,?,u,C,(,L,),?,?,u,C,(,d,),C,0,C,0,?,?,?,?,(,L,?,L,),?,?,?,(,L,?,?,L,?,),?,?,?,l,?,?,?,(,d,),?,0,?,0,?,?,?,2,2,2,2,（,2,）,u,(,L,?,L,0,),?,u,(,L,?,L,0,),?,u,(,L,?,L,0,),u,A,(,L,?,L,0,),?,s,(,L,?,L,0,),?,2,C,2,A,2,B,?,?,(,L,?,L,),6,1,0,i,?,(,L,?,L,0,),?,2,6,(,6,?,1,),?,ma

15、x,（升降杆）,u,B,(,L,?,L,0,),?,（升降杆的极限误差，,可取游标刻度一个格表,示的长度）,3,2,2,?,?,?,?,（,3,）,u,(,L,?,L,0,),?,u,A,(,L,?,L,0,),?,u,B,(,L,?,?,L,0,?,),2,C,?,),?,s,(,L,?,?,L,0,?,),?,u,A,(,L,?,?,L,0,?,?,(,L,?,?,L,?,),6,1,0,i,?,),?,(,L,?,?,L,0,?,2,6,(,6,?,1,),?,max,（升降杆）,?,),?,u,B,(,L,?,?,L,0,3,2,2,2,u,(,l,),?,u,(,l,),?,u,（,4,）,C,A,B,(,l,),?,max,（游标卡尺）,?,0,.,05,mm,6,i,u,A,(,l,),?,s,(,l,),?,?,(,l,1,?,l,),2,6,(,6,?,1,),?,max,（游标卡尺）,u,B,(,l,),?,3,2,2,2,（,5,）,u,C,(,d,),?,u,A,(,d,),?,u,B,(,d,),u,A,(,d,),?,s,(,d,),?,?,(,d,1,6,i,?,d,),2,6,(,6,?,1,),?,max,?,0,.,001,mm,?,max,（螺旋测微器）,u,B,(,d,),?,3,6,、数据记录表格