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文档简介
用焦利氏秤测定液体的表面张力系数
基础物理实验9目的要求1.了解焦利氏秤的结构、原理并学会正确使用。2.用拉膜法测定液体的表面张力系数。3.用最小二乘原理拟合直线。表面张力液体表面层(其厚度等于分子的作用半径,约10-8m)内的分子跟液体内部的分子所处的环境不同。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,表面层内每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,使得这类分子有向液体内部收缩的趋势。从能量观点看,任何内部分子欲进入表面层都要克服这个吸引力而作功。可见,表面层有比液体内部更大的势能,即所谓表面能,表面积越大、表面能也越大。由于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,液面就必须缩小,以使其表面能尽可能减小,宏观上就表现为液体表面层的张力,称为表面张力。原理
将“Π”形丝通过其AB的正中点C悬挂于可测微小力的弹簧秤之上(如图a所示),则可由拉膜过程中弹簧的伸长量求出.根据虎克定律:在弹性限度内,弹簧恢复力与弹簧的绝对伸长量成正比,且方向相反,即:(24.3)
将表面洁净、宽度L、丝直径为D的“Π”形细金属丝竖直浸于水中,然后徐徐拉出。由于水能润湿金属丝,所以水膜将布满“Π”形丝四周,且在其边框内被带起。水膜系具有几个分子层厚的双面膜,其与水分界面接触部分的周长约为2(L+D),因此,式(24.1)变为:
(24.2)在上述假定下,弹簧的伸长只取决于表面张力在垂直方向的分量。设接触角为,则该分量为:。显然,在弹簧伸长至且使液膜刚刚破裂的瞬间,该分力应与弹簧的弹性恢复力相平衡,即:
(24.4)考虑到水与“Π”形金属丝接触角很小,,;而且实际上;所以,式(24.4)可简化为:(24.5)其中,表示拉膜过程中弹簧的伸长量。可见,只要测得及,即可由(24.5)式求出水的表面张力系数。实际拉膜过程中,“Π”形丝框除受及的作用外,如右图所示,还受如下诸力的作用:水膜自身重力;“Π”形丝处于水中部分受到的浮力;“Π”形丝受到大气压力的合力;“Π”形丝本身的重力。若规定将“Π”形丝挂上后,其AB边与水面平齐时为弹簧的平衡位置,则“Π”形丝的重力对弹簧从该平衡位置算起的伸长量也没有贡献。仪器用品(1)焦利氏秤(包括砝码组及附件)(2)玻璃皿;(3)“Π”形金属丝;(4)游标卡尺;(5)待测样品:自来水;(6)酒精灯(共用)。实验内容
1.安装、调整并熟悉仪器。然后测仪器专用弹簧的倔强系数。2.将以酒精灯灼烧过的洁净的“Π”形丝轻轻挂在砝码盘下端,前后缓缓拉膜4次,测出在水的表面张力作用下弹簧的伸长量。3.用游标卡尺测“Π”形丝宽度。然后,求出室温时水的表面张力系数。考查题
1.测量“Π”形金属丝宽度时应注意什么?在“Π”形丝的什么位置测量为宜?2.若焦利氏秤套筒未调铅直,能否进行测量,为什么?3.式(24.3)和(24.6)有什么区别?在本实验中它们表示的意义各是什么?4.在拉膜过程中,若焦利氏秤弹簧有微小振动,对测量结果有何影响?5.在拉膜过程中为什么应始终保持“F”、“E”、“E‘”三线重合?为满足此项要求,实验中应如何操作?6.拉膜时弹簧的初始位置是在什么情况下确定的?7.试说明式(24.5)成立的条件。思考题
1.若“Π”形金属丝粘有油污(或用手摸过),则将会对测量结果带来什么影响?如仍采用式(24.5)进行计算,测量结果可能偏离真值的方向怎样?2.焦利氏秤为什么能测量微小力?它所能测出的最小力是多少?3.由附表11给出的结果求的定值误差。4.试分析说明下列情况对测量结果的影响:1)指示镜与指示管内壁相接触;
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