用拉脱法测量液体表面的张力系数PPT徐永祥

1、用拉脱法测量液体表面的张力系数1背景知识液体跟气体接触的界面存在一个薄层，叫做表面层。表面层里的分子比液体内部稀疏，分子间的距离比液体内部分子间距大，分子间的相互作用表现为引力。这种引力使液体表面自然收缩，犹如张紧的弹簧薄膜。由液体表面收缩而产生的沿着切线方向的力称为表面张力。正是因为这种张力的存在，才使得有些小昆虫能够无拘无束地在水面上行走自如。2液体表面张力是液体的一个重要物理性质, 它在工农业生产、医学、物理化学等领域的科学研究和日常生活中有着重要的应用。如工业技术中的浮选技术和液体输送技术、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。在

2、工农业生产活动中, 液体表面张力有时是不利的。例如, 在农作物喷灌和叶面施肥时, 如果温度太低, 液体在农作物叶面上收缩成球型影响叶面对液体的吸收, 因此考虑在适当的温度条件下作业, 以减小液体的表面张力的大小。 3常用的有拉脱法1,3 、毛细管升高法、液滴高度法、最大气泡压力法、U形管法等。本实验采用拉脱法测量，它属于一种直接测定方法。测定液体表面张力的方法:【实验目的】1、了解液体表面的性质，测定液体的表面张力 系数。2、学习乔利秤测量微小力的原理和方法。3、学会逐差法、作图法、累加法等数据处理方法，并会作不确定度分析。 4【实验仪器】 焦利秤、门形框、游标卡尺、玻璃烧杯、温度计、砝码、被

3、测液体(纯净水、自来水、热水等)。【实验原理】 如果液体表面被长度为l的直线分成两部分，这两部分之间的相互作用力F就是液体的表面张力。5FFl图 1 表面张力示意图F垂直于直线l，并与表面相切，大小为F=l，比例系数是液体的表面张力系数，单位为N/m，表示单位长度的线段l上受到的表面张力。如果能测出F和l，就可以算出表面张力系数。6影响液体表面张力系数的因素：液体的类别：不同的液体，表面张力系数不同。密度越小、越容易挥发的液体，其表面张力系数越小。温度：表面张力系数随温度的升高而减小。解释：当液体温度升高, 分子的平均动能势必增大. 所以, 液体表面层分子平均密度更小, 平均距离更大. 分子的

4、平均引力优势反而减小. 因此, 随着温度升高液体的表面张力反而减小。此外，纯净水的表面张力系数与温度呈近似的线性关系。杂质：同一种液体，加入杂质后可促使液体表面张力系数增大或减小。一般而言，醇、酸、醛、酮等有机物质大都是表面活性剂，比水的表面张力系数小得多。 7拉脱法是一种直接测定液体表面张力的方法。 将一个内宽为s的门形金属框垂直悬吊浸于待测液体中，缓慢、均匀地拉起，此时在金属框附近的液面会产生一个沿着液面的切线方向的表面张力F，由于表面张力的作用，金属框四周将带起一个水膜，水膜呈弯曲形状，如图3所示。液体表面的切线与金属丝表面的切线之间的夹角称为接触角。8当将金属丝缓慢拉出水面时，表面张力

5、F的方向将随着液面方向的改变而改变，接触角逐渐减小而趋近于零，因此F的方向趋近于竖直向下。图 2 接触角示意图F9取门形框所经过的两个特殊位置作分析。图3（a）金属丝框紧贴水面位置 T2F浮W1. 门形框紧贴水面位置 此时门形框在下述力的作用下达到平衡：竖直向下的重力W、向上的拉力T2、液体的浮力F浮，如图3（a），于是，有(1)10图3 (b) 水膜刚脱落的瞬间F浮W T1F张力G膜2. 水膜刚被拉破的瞬间液膜破裂的瞬间门形框受下述力作用而平衡：竖直向下的重力W、向上的拉力T1、液体的浮力F浮、液膜的重力G、竖直向下的张力F，有： (2)式中，m0、m膜分别为门形框和液膜的质量， d为金属丝

6、的直径、h表示液膜的高度、S表示液膜破裂的瞬间游标零线所指示的读数。 11同时考虑到液膜有两个表面，于是液体的表面张力F为 ( 3 )( 4 )由(1)、(2)和(3)得到： 12式中，液膜的重力为：(5)d表示液膜的厚度。若忽略水膜的重量和浮力时，上述表式可以简化为 拉脱法测量液体表面张力系数的近似计算公式13焦利秤实际上是一种用于微测小力的精细弹簧秤。一金属套管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A内。在金属套管A的上端固定有游标。圆柱B顶端伸出的支臂上挂一锥形弹簧S。转动旋钮G可使圆柱B上下移动，因而带动弹簧S上下升降。弹

7、簧上升或下降的距离由主尺（圆柱B）和游标来确定。 图 4 乔利秤结构示意图14E 为固定在金属套管A上一侧刻有刻线的玻璃圆筒，D为挂在弹簧S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E上的刻线、小平面镜上的刻线、E上的刻线在小平面镜中的象，三者始终重合，简称“三线对齐”。C为一平台，转动其下端的螺钉时平台C可升降但不转动。焦利秤与一般弹簧秤差别：一般的弹簧秤都是上端固定，在下端加负载后向下伸长；而焦利秤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量。弹簧的伸长量由主尺和游标确定（即伸长前后两次读数之差值）。15【实验内容】1. 用酒精清洗玻璃杯和门形框2. 测量

8、弹簧的倔强系数k。 (1) 按图4挂好弹簧S、小镜子D和法码盘，再调节三角底座上的螺钉，并适当调节弹簧S与玻璃管E的位置，使小镜子垂直地位于玻璃管中间，四周不能与玻璃管接触。转动升降旋钮G，使玻璃管上的水平线、镜子上的水平线及水平线在镜子中的像三者对齐（以下简称三线对齐），读出游标零线所指示的主尺上的读数L0。 16 (2) 依次将质量为m（此处m取1g）的砝码加在弹簧下方的砝码盘内，转动升降旋钮G，重新调到三线对齐，分别记下在1g、2g、9g时游标零线所指示的主尺刻度L1、L2、L9，再用逐差法、累加法或作图法求出弹簧的平均劲度系数(南京地区g取9.79m/s2)。逐差法：累加法:说明：采用

9、逐差法处理时，需测偶数组数据，将它们前后分为两组，依次逐差。累加法无须测偶数组。、173. 用游标卡尺测量金属框的长度l三次，求出其平均值及其标准不确定度。其中，B类不确定度分量按（mm）计算。 劲度系数的标准不确定度:K的合成不确定度： 184. 测量两个特殊位置下的主尺读数 将盛液体的烧杯放在平台C上，旋转平台C下的螺钉，使平台和烧杯上升，金属丝浸入液体中。然后一边缓慢地下降平台；一边缓慢调节旋钮G，升高小镜子中的刻线。每作上述同步调节均需保证三线对齐。 当金属框上沿升至液体表面位置时，通过三线对齐记录下此时游标零线所指示的主尺读数S0；重复上述调节，直到平台只要再下降一点，金属丝就脱出液

10、面为止。记下此刻的读数s，由此可得弹簧的伸长量(s-s0)。 重复上述步骤，得出三组弹簧伸长量(s-s0)。由计算张力系数。19分析测量结果的相对误差及不确定度 不确定度： 相对不确定度：附表：不同温度下纯净水、酒精表面张力系数 （10 - 3 N/ m）给出测量结果：（N/m） 20【注意事项】1. 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。2. 实验时动作必须仔细、缓慢。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。3. 实验过程中小镜子和玻璃管不能相接触，否则会造成较大误差。4. 每次实验前玻璃杯和门形框要用酒精清洗后才能使用。实验结束后用吸水纸将门

11、形框表面擦干，以免锈蚀。5. 测量前后应记录被测液体的温度。21【思考题】1. 为什么荷叶上的水滴、油里的水滴等均呈球形？2. 焦利秤与普通秤有什么区别？使用过程中要注意些什么？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。22【参考文献】1. 许森东, 胡炜, 李祖樟, 冯元新. 拉脱法测液体表面张力系数公式及其简化对实验结果影响的分析. 河北北方学院学报(自然科学版), 2007, 23 (5): 7-8，282. 谭兴文. 液体表面张力系数与温度的关系的实验研究. 西南师范大学学报(自然科学版), 2007, 32 (4)