液体表面现象的研究Word

1、实验名称 液体表面现象的研究一、 前言表面张力是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的，沿表面作用于任一界线上的张力。表面张力的存在使液体具有尽量缩小其表面的趋势，好像液体表面是一张拉紧了的橡皮膜一样。对液体表面张力系数的测定，可以为分析液体表面的分子分布及结构提供帮助，可以解释物质处于液态时所特有的许多现象，比如泡沫的形成、湿润和毛细现象等。在工业生产和科学研究中常常要涉及到液体特有的性质和现象。比如工业上的矿物的浮选技术，化工生产中液体的传输过程、药物制备过程及生物工程研究领域中关于动、植物体内液体的运动与平衡等问题，都要对表面张力进行研究。因此，了解液体表面性质和现象，掌握测定液体表面张力

2、系数的方法具有重要的实际意义。测定液体表面张力的方法有很多，常用的方法有拉脱法、毛细管升高法、最大气泡压力法等。本实验采用拉脱法测定水的表面张力系数。二、 教学目标1、 掌握焦利秤测量微小力的原理和方法。2、 了解液体表面的性质，测定液体的表面张力系数。三、 教学重点1、 了解焦利氏秤测微小力的原理、结构和方法。四、 教学难点1、 用拉脱法测量室温下液体的表面张力系数。五、 实验原理液体表面层（其厚度等于分子的作用半径，约）内的分子所处的环境跟液体内部的分子是不同的。在液体内部，每个分子四周都被同类的其他分子所包围，它所受到的周围分子的作用力的合力为零。由于液体上方的气相层的分子数很少，表面层

3、内每一个分子受到的向上的引力比向下的引力小，合力不为零，这个合力垂直于液面并指向液体内部，如图1所示，所以分子有从液面挤入液体内部的倾向，并使液体表面自然收缩，直到处于动态平衡，即在同一时间内脱离液面挤入液体内部的分子数和因热运动图1 液体表面层和内部分子受力示意图而到达液面的分子数相等时为止。拉脱法测定液体表面张力系数是基于液体与固体接触时的表面现象提出的。由分子运动论可知，当液体分子和与其接触的固体分子之间的吸引力大于液体分子的内聚力时，就会产生液体浸润固体的现象。现将一表面洁净型金属丝框竖直地浸入水中，使其底边保持水平，由于水能浸润金属，当轻轻提起金属丝时，在型金属丝框内就形成如图2所示

4、的双面水膜。水膜的两个表面沿着切线方向有作用力f，称为表面张力，为接触角，当缓缓拉出金属丝框时，接触角逐渐减小而趋向于零。这时表面张力f垂直向下，其大小与金属丝框水平段的长度l成正比，故有（1）fwld液面fff图2 液体表面张力受力分析式中，比例系数称为表面张力系数，它在数值上等于单位长度上的表面张力。在国际单位制中，的单位为。表面张力系数与液体的性质、纯度、温度和它上方的气体成分有关。当液面与其蒸汽相接触时，表面张力仅与液体性质及温度有关。实验表明，密度小，易挥发液体值小；温度越高，值越小；所含杂质越多，值也越小。因此，在测定值时，必须注明是在什么温度下测定的，并且要十分注意被测液体的纯度

5、，测量工具（金属丝框、盛液器皿等）应洁净。在金属丝框缓慢拉出水面的过程中，金属丝框下面将带起一水膜，当水膜刚被拉断时，诸力的平衡条件是： （2）式中，f为弹簧向上的拉力，w为水膜被拉断时金属丝框的重力和所受浮力之差，为型丝的长度，为型丝的直径，即水膜的厚度，为水膜被拉断时的高度，为水的密度，为重力加速度，为水膜的重量，由于金属丝直径很小，所以这项值不大。由于水膜有前后两面，所以上式中的表面张力为2tl。由（2）式解得：（3）实验中先测出焦利秤的倔强系数，然后用焦利秤测出和公式（3）中相对应的弹簧伸长量，则有：（4）六、 实验仪器焦利秤，型金属丝框，砝码，玻璃杯，游标卡尺。1、 焦利秤简介焦利秤

6、的构造如图3所示，它实际上是一种用于测微小力的精细弹簧秤。一根金属套管a垂直竖立在三角底座上，调节底座上的螺丝，可使金属套管a处于垂直状态。带有毫米标尺的圆柱b套在金属套管内。在金属套管a的上端固定有游标c，圆柱b顶端伸出的支臂上挂一锥形弹簧d。转动旋钮e可使圆柱b上下移动，因而也就调节了弹簧d的升降。弹簧上升或下降的距离由主尺（圆柱b）和游标c来确定。a立柱、b毫米标尺、c游标、d弹簧e立柱升降旋钮、f砝码盘、g玻璃圆筒h平台、m 平面反射镜、s平台升降旋钮图3 焦利秤g为固定在金属套管a上一侧刻有刻线的玻璃圆筒，m为挂在弹簧d下端的两头带钩的小平面镜，镜面上有一刻线。实验时，使玻璃圆筒g上

7、的刻线、小平面镜上的刻线、g上的刻线在小平面镜中的象，三者始终重合，简称“三线对齐”。用这种方法可保证弹簧下端的位置是固定的，弹簧的伸长量可由主尺和游标定出来（即伸长前后两次读数之差值），一般的弹簧秤都是弹簧秤上端固定，在下端加负载后向下伸长，而焦利秤与之相反，它是控制弹簧下端的位置保持一定，加负载后向上拉动弹簧确定伸长值。h为一平台，转动其下端的螺钉s时平台h可升降但不转动。f为秤盘。一般弹簧秤都是上端固定，在下端加负载后向下伸长，而焦利称则与之相反，它是控制弹簧下端g的位置保持一定，加负载后向上拉动弹簧确定伸长值。设在力作用下弹簧伸长，根据虎克定律可知，在弹性限度内，弹簧的伸长量与所加的外

8、力成正比，即式中是弹簧的倔强系数。对于一个特定的弹簧，值是一定的。如果将已知重量的砝码加入盘中，测出弹簧的伸长量，由上式即可计算该弹簧的值。这一步骤称为焦利秤的校准。焦利秤校准后，只要测出弹簧的伸长量，就可计算出作用于弹簧上外力。七、 实验内容与步骤(一) 测量弹簧的倔强系数k。1、 安装调试仪器。安装好支架，装挂好弹簧小镜、砝码盘及型丝框等，调节支架底座螺丝钉使金属杆铅直，使小镜m穿过玻璃圆筒g的中心，这时弹簧将与金属套管a平行。2、 在秤盘上加砝码，转动旋钮e使弹簧上升，直至“三线对齐”为止。这时读出游标零线所指示的毫米标尺b上的读数。以后每加砝码，调整一次旋钮e使“三线对齐”，记下b上的

9、读数，直至加到后再逐次递减砝码，每减，调整一次旋钮e使“三线对齐”，记下b上的读数，直至砝码。3、 用逐差法处理数据，求出倔强系数k及不确定度。(二) 测量液体的表面张力系数。1、 用游标卡尺测出型丝框的长度和直径各一次。2、 将待测液体倒入洗净干燥的烧杯中，置于平台h上，将型丝框洗净后挂在砝码盘下的小钩上，使金属丝框完全浸入液体中，调节旋钮e使“三线对齐”。调节时要保证金属丝框始终处于液面以下。3、 一只手慢慢旋转s，使平台上玻璃杯稍微下降，用一只手慢慢调节e，使弹簧向上伸长，整个过程要求g始终停在零点处不动“三线对齐”。重复上述调节，当金属框刚好到达液面时，记下旋钮s的位置。4、 继续转动

10、s，使平台h继续下降，然后调节旋钮e使“三线对齐”，不断重复该步骤，金属丝框将慢慢露出液面，并在表面张力的作用下带起一液膜，直到液膜被破坏时为止。记下液膜被破坏时毫米标尺b上的读数（用游标读到）和旋钮s的位置，如图4。s2hs1玻璃圆筒小镜图4 测量表面张力系数示意图用吸水纸将金属丝框上的小水珠轻轻地吸去，转动旋钮e使金属丝框缓缓下降，直到g回到零点“三线对齐”，读出毫米标尺b上的读数，则公式(3)中的。5、 重复35步骤5次。6、 求值，测量过程中和之差即为水膜的高度，。7、 用温度计测出实验时的液体温度。8、 计算液体的表面张力系数及其不确定度。八、 数据表格及数据处理1、 求弹簧的倔强系

11、数 表1 测定弹簧倔强系数测量次数012345砝码重量(g)1.001.502.002.503.003.50增重读数(mm)13.417.822.026.430.835.0减重读数(mm)13.517.722.026.430.835.0平均值(mm)13.517.822.026.430.835.0(mm)12.9513.0513.00(mm)13.00的a类不确定度分量=0.029()的b类不确定度分量，仪取，ub=0.033()合成不确定度0.044()计算倔强系数 1.1285()， 0.0038()2、 测定液体的表面张力系数。表2 测定液体表面张力系数金属丝框长度=33.42()，金属

12、丝直径=0.6()，水的密度测量次数12345()10.29.910.110.210.3()6.76.46.46.56.6()3.53.53.73.73.7平均值()3.62()18.218.518.618.418.3()21.722.222.121.921.8()3.53.73.53.53.5平均值()3.54的a类不确定度分量 =0.049()的b类不确定度分量，仪取，ub=0.033()合成不确定度0.068()液体表面张力系数0.05073() 由于水膜的重量非常小,在的计算中不考虑、和的不确定度分量。 0.00077()测量结果 30时纯水表面张力系数为，本实验所用自来水不纯导致数据

13、差别较大。九、 指导要点及注意事项1、 在实验过程中要始终保证小镜悬于玻璃管中央，镜子和玻璃管不能相接触，否则会造成较大误差。2、 焦利秤中使用的弹簧是精密易损元件，要轻拿轻放，切忌用力拉。3、 测量型丝宽度时，应平放于纸上，防止变形。4、 实验过程中要避免液体被污染。若液体中混入其他杂质，其表面张力系数将有明显改变。5、 测量时要始终保证“三线对齐”，并在丝框上边缘与水面平齐时读取。6、 不能在弹簧振动不定的情况下测量，拉膜时动作要平稳、轻缓，防止仪器受震动，尤其液膜即将破裂时，更要注意。平台一次只能下降一点，如果动作卤莽，会使液膜过早破裂，带来较大误差。7、 实验前要清洗玻璃杯和金属丝框才

14、能使用。实验结束后用吸水纸将金属丝框表面擦干，以免锈蚀。清洗后的玻璃杯和型丝不可用手触摸。十、 实验管理和成绩记载1、 实验管理(1) 预习检查：检查学生的学生证，检查学生预习报告并签字，随机提问（约占实验学生的四分之一）检查学生的预习情况。无预习报告或预习检查不合格的学生取消当堂课实验资格，重新预约该实验。(2) 操作管理：巡回检查学生的实验操作和实验数据记录情况，及时发现、指导、解决学生在实验操作中遇到的问题，检查完成实验学生的数据记录并签字；对在1小时左右完成实验的学生进行认真的检查并要求其完成实验的选做内容。(3) 实验报告批改：要求学生认真作好实验报告，并于实验后一周内交给任课教师

15、(地点：主教学楼1楼走廊信箱) ；及时批改学生的实验报告，作好成绩记载并及时发还给学生。2、 成绩记载平时成绩：实验操作60%；实验报告40%；及时在实验预约单上记载平时成绩。综合成绩：平时成绩60%；考试成绩40%。十一、 实验思考题1、 影响液体表面张力系数的因素有哪些？表面张力系数与液体的性质、纯度、温度和它上方的气体成分有关。当液面与其蒸汽相接触时，表面张力仅与液体性质及温度有关。实验表明，密度小，易挥发液体值小；温度越高，值越小；所含杂质越多，值也越小。2、 焦利秤与普通秤有什么区别？使用过程中要注意些什么？焦利秤和普通的弹簧秤有所不同：普通的弹簧秤是固定上端，通过下端移动的距离来称

16、衡，而焦利秤则是在测量过程中保持下端固定在某一位置，靠上端的位移大小来称衡。其次，为了克服因弹簧自重引起弹性系数的变化，把弹簧做成锥形。由于焦利秤的上述特点，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。3、 为什么要采用“三线对齐”的方式来测量？两线对齐可以吗？为什么？4、 用拉脱法测液体表面张力系数时，其测量结果一般要偏大，试分析产生这种系统误差的原因和应当如何修正。5、 试用图解法求焦利秤弹簧的倔强系数，并将所得结果与逐差法算出的倔强系数作比较。6、 在拉膜时弹簧的初始位置如何确定？为什么？7、 如果金属

17、丝玻璃杯和液体不洁净，对测量结果将会带来什么影响?8、 本实验能否用图解法求焦利秤的倔强系数？9、 如果型金属丝不规则，或拉出液面时不水平，对测量结果有何影响？十二、 教学后记附表：不同温度下纯净水、酒精表面张力系数（液体10203040506070纯净水73.271.770.168.667.065.463.9酒精25.222.721.520.019.318.817.9十三、 实验成绩评定标准实验操作要求实验报告要求等 级1预 习 充 分格 式 规 范a：达到要求b：基本达到要求c：达不到要求d：不及格 各档对应分数(100) (95) (90)(85) (80) (75)(70) (65) (60)2目 的 明 确书 写 整 洁3原 理 清 楚作 图 完 美4步 骤 正 确表 达 完 整5操 作 规 范结 果 分 析6数 据 正 确实 验 体 会7遵 守 纪 律见 解 创 新8整 理 仪 器习 题 正 确1、 实验有新发现，有创新或独到见解，实验成绩评定后，提高一档。2、 迟到，成绩降一档。 3、 缺席，该次实验成绩为零分。 4、 无故迟交报告，成绩降一档。5、 篡改实验数据，成绩降一档。 6、 抄袭实验报告或数据，该实验成绩为零分。十四、 教材和教学参考书教材：杨长铭，等大学物理实验教程武汉：武