(整理)实验讲义-液体表面张力-.9.

1、精品文档液体表面张力系数的测量表面现象广泛见诸于钢铁生产，焊接，印刷，复合材料的制备等 过程中。液体表面张力系数是表征液体性质的一个重要参数。测量液体表面张力系数有多种方法，如最大泡压法，毛细管法，拉脱法。许多现象表明液体表面具有收缩到尽可能小的趋势，这是液体分子间存在相互作用力的宏观表现。 从微观角度看，液体表面具有厚度 为分子吸引力有效半径的表面层，处于表面层内的分子比液体内部的 分子少了一部分能与之吸引的分子，因此出现了一个指向液体内部的 吸引力，使得这些分子具有向液体内部收缩的趋势。而从能度看，任 何内部分子欲进入表面层就要克服这个吸引力而做功。显见，表面层有着比液体内部更大的势能（表

2、面能），且液体表面积越大，表面能 也越大。而任何体系总以势能最小的状态最为稳定， 所以液体要处于 稳定状态，液面就必须缩小，以使其表面能尽可能小，宏观上就表现 为液体表面层内的表面张力。我们想象在液体表面画一条直线，表面张力就表现为线段两边的 液面以一定的拉力口相互作用，而力的方向与线段垂直，力的大小 与该段直线的长度L成正比，即f = aL（1）其中，比例系数"称为液体的表面张力系数，单位为N/m。当液 体表面与其蒸汽或空气相接触时，表面张力仅与液体本身的性质及其 温度有关。一般情况下，密度小、容易蒸发的液体，其 口较小；而熔 融金属的"则很大。对于同种液体，温度越高，其

3、 口越小。当液体与 固体相接触时，不仅取决于液体自身的内聚力，而且取决于液体分子 与其接触的固体分子之间的吸引力（称为附着力）。当这个附着力大 于内聚力时，液体就会沿固体表面扩展，这种现象称为润湿。当这个 附着力小于内聚力时，液体就不会在固体表面扩展，称为不润湿。润 湿与不润湿取决于液体、固体的性质，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也密切相 关，某些杂质能使a增大，而表面活性物质则能使u减小。教学过程【预备问题】1 .表面张力是如何形成的？表面张力系数与那些因素有关？2 .为了减小测量

4、误差，实验时应该注意哪些问题？【实验目的】1、 掌握用祛码对硅压阻式力敏传感器定标的方法， 并计算该传感 器的灵敏度2、 了解拉脱法测液体表面张力系数测定仪的结构、 测量原理和使 用方法，并用它测量纯水表面张力系数。3、 观察拉脱法测量液体表面张力系数的物理过程和物理现象，并 用物理学概念和定律进行分析研究，加深对物理规律的认识4、 掌握读数显微镜的结构、原理及使用方法，学会用毛细管测定 液体的表面张力系数。5、 利用现有的仪器，综合应用物理知识，自行设计新的实验内容。【教学重点，难点】重点：用拉脱法和毛细管法测量液体表面张力系数。难点：拉托瞬间的把握，毛细管液面要升到一定的高度。【实验原理】

5、一、拉脱法测量液体的表面张力系数把金属片弯成如图1 （a）所示的圆环状，并将该圆环吊挂在灵 敏的测力计上，如图1 （b）所示，然后把它浸到待测液体中。当缓 缓提起测力计（或降低盛液体的器皿）时，金属圆环就会拉出一层 与液体相连的液膜，由于表面张力的作用，测力计的读数逐渐达到 一个最大值F （当超过此值时，液膜即破裂），则F应是金属圆环 重力mg与液膜拉引金属圆环的表面张力之和。由于液膜有两个表 面，若每个表面的力为f =a L （L为圆形液膜的周长），则有F = mg+2sL所以(3)F - mg2L图13图 1(/>)圆形液膜的周长L与金属圆环的平均周长L，相当，若圆环的内、外 直径分

6、别为Di,D2。则圆形液膜的周长L = L'彳（D1+D2） /2（4）_ F - mg将（4）式代入（3）式得s =p（D - D）（5）硅压阻式力敏传感器由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成，其中芯片由四个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥。当外界压力作用于金属梁时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，输出电压大小与所加外力成正比。即DU = KDF（6）式中，AF为外力的大小；K为硅压阻式力敏传感器的灵敏度，单位为V/N; AU为传感器输出电压的大小。二、毛细管升高法测液体的表面张力系数1 一只两端开口的均匀细管（称为毛细管）插入液体，当液体与该管润湿且接触角小于90

7、76;时，液体会在管内上升一定高度。而当接触角大于90°时，液体在管内就会下降。这种现象被称为毛细现象。本实验研究玻璃毛细管插入水中的情形。 如图2所示，f为表面张力，其方向沿着凹球面的切线方向，大小为f =& is ,其中r为毛细管的内孔半径。设邛为接触角（与液体和管壁材料的性质有面的部关），凹球面的半径为R ,由图2可知cos =-,由表面张 R力产生的、垂直向上提高液面的力为fcoS ，若忽略h上分液体的重量，则这个力与毛细管中高为h的液柱重量平衡，即所以图？2)rs 2 .2)s cos =干 r r ghrr gh R gh s =2cosj 2(8)式p中为液体的

8、密度，g为重力加速度。如果玻璃管壁和水都非常清净，则j =0,R=r，而（8）而式变为_ rr ghr 一 2(9)在推导公式（9）时，忽略了毛细管中凹球面下端与上端之间液体的重量，为了得到更精确的计算公式，必须考虑这部分液体的重精品文档量。该部分液体的体积约等于半径为 r、高也为r的圆柱体体积和半径为的球体积的一半之差，即pr3-2 3 133pr =3Pr,故忽略的液体重量为1p r3r go当考虑这部分液体重量后，可得=-dr g4 9(10)由上式可知，只要测出毛细管的内径 d和上升的液柱高h,就 可算出表面张力系数（To【实验仪器】1、表面张力系数测定仪，如图3所示，包括硅扩散电阻非

9、平衡电桥 的电源和测电桥失去平衡时输出电压大小的数字电压表、铁架台、微调升降台、装有力敏传感器的固定杆、盛液体的玻璃器皿一套、 铝合金圆形吊环一个、0.500g祛码七只（定标用），其它仪器包 括镣子（取祛码、祛码盘和挂吊环用），待测液体水，烧杯，温度 计等。2、读数显微镜，玻璃毛细管。淞体表面死力与数测定上力地得感器升降趣节曼 j "I杵测废佛底座调节量注J图3 FD-NST-I液体装面系数来力测定仪【实验内容】一、：拉脱法测水表面张力系数1、实验准备(1)连线后接通主机电源，开机预热。(2)调节铁架台上的三个水平调节螺丝，使铁架台水平。(3)清洗玻璃器皿(4)预热15分钟后，可对力

10、敏传感器定标。2、硅压阻力敏传感器定标(1)将祛码盘挂在力敏传感器的挂钩上。(2)将数字电压表调零。(3)依次加入0.500g的祛码，待稳定后记下电压表读数。注意 放祛码时应尽量轻。每次增加0.500g祛码，待稳定后记下 电压表读数Ui (i =1 , 2, 8)。3、水表面张力系数的测量(1)将祛码盘取下来换上吊环，使吊环平面成水平状态。(2)在玻璃器皿内放入被测液体并安放在升降台上。精品文档（ 3）在测定液体表面张力系数过程中，可观察到液体产生的浮力与张力的情况与现象，以顺时针转动升降台大螺帽时液体液面上升， 当吊环下沿部分均浸入液体中时，改为逆时针转动该螺帽，这时液面往下降（或者说相对吊

11、环往上提拉），观察环浸入液体中及从液体中拉起时的物理过程和现象。特别应注意吊环即将拉断液膜前一瞬间数字电压表读数值为U1， 拉断时瞬间数字电压表读数为U2。记下这两个数值，这时DU=U1-U2.重复测量6次。二、毛细管升高法测表面张力系数1、将烧杯装入适量纯水后放在支架上，将洗净烘干的毛细管插入液体中，使之铅直，可见到液体将沿毛细管上升到一定高度。2、调节望远镜焦距，使看清被测毛细管，在上下慢慢移动显微镜，使望远镜中十字叉丝的水平线与毛细管中液体凹面的下沿相切，记下该读数，然后移动显微镜使十字叉丝的水平线与玻璃器皿中液体凹面的下沿相切，再记下该读数，两读数之差即为液柱高h。重复测量5 次，将所

12、得数据记入表格中。3、将毛细管取出平放在木盒上，对准显微镜筒调节焦距，直至观察到清晰的毛细管圆孔图像，测出内径 d,转动毛细管，放在不同的方位测五次，将所得数据记入表格中。【数据处理】1、 硅压阻力敏传感器定标表1力敏传感器定标次数祛码重（g）传感器增重读数（mv）传感器减重读数（mv）平均（mv）1020.50031.00041.50052.00062.50073.00083.500用最小二乘法拟合得得仪器的灵敏度K,并求得线性相关系数r2、 纯水液体表面张力系数的测量表2纯水的表面张力系数测量 （水的温度T = 25 C）次数U1 (mv)U2 (mv) U (mv)f (N)123456

13、根据公式计算在室温下纯水的表面张力系数 。然后与标准值相比较，求出相对不确定度并写出结果表达式。二、毛细管法1、毛细管法测液体的表面张力系数数据表（T= 25 C）2、与拉脱法测量的结果比较，分析误差原因。次数毛细管液烧杯液面液柱高度毛细管内毛细管内毛细管内面卜沿下沿(mm)侧下沿侧上沿径(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)12345【思考题】1、表面张力与哪些因素有关？实验中应注意哪些因素才能减小误差2、若吊环的下沿所在平面与液面不平行，测得的表面张力系数是大了还是小了？为什么？3、为什么液膜破裂前的一瞬间读出 Ui值，而不是将数字电压表显精品文档精品文档示最大值作为U1？4、 简要说明毛细管内液面能升高的原因。【注意事项】1、吊环水平须调节好，注意偏差1o 结果引入误差为0.5；偏差2o，则误差 1.6%；2、仪器开机需预热15 分钟；3、在旋转升降台时，尽量使液体的波动要