液体表面张力系数测定讲义

液体外表张力系数测定编者：黄彦【实验目的】了解力敏传感器的原理和掌握其标定方法了解液体外表的性质,用拉脱法测定液体外表张力系数.【实验仪器】DH4607型液体外表张力系数测定仪,其它配置为：硅压阻力敏传感器1只,测试玻璃皿1只,配件盒(吊环1只,外径3.5cm,内径3.3cm,高0.8cm；整码盘1只,0.5g整码7只,银子1个,水准泡1个),纯洁水,NaOH溶液.图1液体外表张力系数测定仪.力敏传感器；2.吊环；3.玻璃器皿；4.升降螺丝；5.调节螺丝；6.底座；7.固定螺丝；8.数字电压表；9.调零旋钮【实验原理】.液体的外表张力液体与空气接触形成外表层,其厚度的数量级与分子力作用球半径的数量级相同.由于外表层内液体分子受力情况不同于液体内部,使得液体外表具有一种不同于液体内部的特殊性质.即液体内部相邻液体间的相互作用表现为压力,而液体外表相邻液面间的相互作用那么表现为张力.由于这种力的存在,引起弯曲液面内外出现压强差,以及常见的毛细现象等.许多现象说明,液体外表有自动收缩的趋势.

这一事实可以通过以下实验进行观察和分析.取一个钢丝制成的矩形框架如图2(a),矩形的一边AB可以在框架上自由滑动.将框架浸入浓肥皂液后取出,框架上就会形成一个矩形肥皂膜ABCD,用手轻轻扶住AB两端,即加以外力F外,液膜面积可保持不变.如果除去外力,那么见到液膜自动收缩如图2(b)o在图2中,当AB边保持平衡时,可以通过测定外力的大小来测出外表张力.实验事实说明,外表张力f的大小与液面的周界(或截线)长度l成正比,即f=-l(1)(1)式中比例系数a称为外表张力系数(单位：Nm-1),其数值等于液面上作用在每单位长度截线(或周界)上的外表张力.注意在图2的实验中,因液膜有两个外表,所以钢丝A、B受力情况从横断面看如图2(c)所示,所以平衡时有F外=2f=2al=a2AB(2)外表张力系数的大小主要由物质种类决定.一般说来,易挥发的液体值值小,口还跟与液体相邻的物质种类以及液体温度有关.温度越高,豆值越小.表1列出了在不同温度下某些液体(与空气或水的交界面)的外表张力系数.止匕外,外表张力还与液体所含杂质有关,有的杂质能使液体外表张力系数减小.表1一些^^体(与空气或水的交界面)的外表张力系数液体种类t/c£(X10-3)/Nm-1水(与空气)075.601074.221573.221873.002072.752571.973071.185067.9010058.80

水银〔与空气〕18490水银〔与水〕20472酒精〔与空气〕1823乙醛〔与空气〕2016.5肥皂水〔与空气〕2040.拉脱法测量外表张力系数的常用方法：拉脱法、毛细管升高法和液滴测重法等.此实验中采用了拉脱法.拉脱法是直接测定法,通常采用物体的弹性形变〔伸长或扭转〕来量度力的大小.用测量一个周长的金属圆环或金属片,从待测液体外表脱离时所需要的力,求得该液体外表张力系数的方法称为拉脱法.实验中采用金属圆环,将其底部水平浸入液面中,然后缓慢地使液面下降.当金属环底部高于液面时,金属环和液面间形成一环形液膜.金属环受力情况如图3所示,由于液面是缓慢匀速下降的,所以金属环处于平衡状态.拉力F、液体的外表张力f、金属环所受重力mg〔液膜很薄忽略不计〕有下面的关系：F=mgCos：〔3〕式中中是液面与金属环的接触角.金属环临脱离液面时有〔4〕〔5〕〔6〕图3拉脱过程〔4〕〔5〕〔6〕图3拉脱过程中金属圆环受力情况金属环脱离液面后F2=mg液体外表张力系数一.fF1-F2二D1D2二D1D2式中Di、D2分别是圆环的内外直径..硅压阻式力敏传感器〔SPPT〕用拉脱法测量液体外表张力,对测量力的仪器要求较高,由于用拉脱法测量液体外表的张力约为10-3~10-2N之间,因此需要有一种量程范围较小,灵敏度高,且为稳定性好的测量力的方法.近年来,新开展的硅压阻式力敏传感器正好能满

足液体外表张力测量需要,它比传统的焦利秤、扭秤等灵敏度高、稳定性好,可数字显示以便于计算机实时测量记录.硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的.在硅膜片特定方向上扩散4个等值的半导体电阻,并连接成惠斯通电桥,作为力一一电变换器的敏感元件.当膜片受到外界压力作用,电桥失去平衡时,假设对电桥加鼓励电源〔包流和恒压〕,便可得到与被测压力成正比的输出电压,从而到达测量压力的目的.硅压阻式压力传感器由3个根本局部组成〔图3.2〕:①基体,直接承受被测应力；②波纹膜片,将被测应力传递到芯片；③芯片,检测被测应力.芯片是在硅弹性膜片上,用半导体制造技术在确定品向制作相同的4个感压电阻,将他们连成惠斯通电桥构成了根本的压力敏感元件.梁固定点传感器芯片弹性梁挂钩图4硅压阻式力敏传感器的应用硅压阻式力敏传感器由弹性梁〔弹簧片〕和贴在梁上的传感器芯片组成,如图4所示.传感器芯片是由四个扩散电阻集成的一个电桥.当外界拉力作用于梁上时,在拉力的作用下,梁产生弯曲,传感器受力的作用,电桥相邻桥臂的电阻值发生相反的变化梁固定点传感器芯片弹性梁挂钩图4硅压阻式力敏传感器的应用TOC\o"1-5"\h\zU0=kF⑺式中k为力敏传感器的灵敏度,单位mVN-1.假设吊环拉脱前后传感器输出的电压值分别为Ui、U2,根据式〔6〕式和⑺式,液体的外表张力系数(8)1_Ui-U2(8)k二DiD2一k二DiD2【实验步骤】.力敏传感器的定标〔1〕开机预热15分钟；〔2〕调节螺丝使底座水平,保证测力方向和传感器弹性梁垂直；〔3〕将整码盘挂在力敏传感器梁的钩上,整码盘静止后,调节调零旋钮,使数字电压表显小为零；〔4〕依次往整码盘里加上等质量的不去码〔m=0.5g〕,直到整码总质量为3g.同时将数字电压表测量到的力敏传感器的输出电压U记入表2中.注意每次加整码后,使整码盘静止.(5)用最小二乘法拟合,计算力敏传感器的灵敏度k和拟合的线形相关系数..环的测量与清洁用游标卡尺测量金属圆形吊环的内外直径Di、D2,记入表3中,并计算Di、D2的平均值..水外表张力系数的测量(1)往玻璃器皿中盛上蒸储水,挂上吊环,转动升降螺丝,使液面靠近吊环.观察吊环下沿和液面是否平行.如果不平行,调节吊环上的细丝使其与液面平行；(2)调节升降螺丝,使吊环下沿浸没于液体中.反方向调节升降螺丝,液面缓慢匀速下降,吊环和液面问形成环形液膜.继续使液面下降,测出液膜拉断前瞬问电压表的读数Ui和液膜拉断后瞬间电压表的读数U2,并记入表3;(3)根据公式(8),计算出水的外表张力系数,并与标准值比拟.5.实验结束后将吊环清洗干净,用清洁纸擦干,放入枯燥盒内.(注：其它液体的步骤类似水)【实验数据和记录】.传感器灵敏度的测量表2传感器灵敏度标定整码/g0.51.01.52.02.53.0电压/mV经最小二乘法拟合得到k=mV/N;拟合的线性相关系数r=.水的外表张力系数的测量金属环外径Di=cm,内径D2=cm,水的温度：t=C表3水的外表张力系数测量编号U1/mVU2/mV△U/mVF/N«(X10-3)/-1Nm123451平均化a=Nm【考前须知】.在旋转升降台时,尽量减小波动；.手指等不宜接触液体,以免污染液体影响张力；.力敏传感器用力不宜大于0.098N,否那么容易造成其损坏；.做完实验必须将吊环清洁并用清洁纸擦干,覆盖防尘纸.【思考题】.在拉脱法中,为什么一定要用拉断前瞬间的张力值〔电压值〕.春天到了,冰雪融化了,理想情况下,从冰溜子上滴下的水珠的大小是否一致,你能计算它们的直