拉脱法测定液体的表面张力系数PPT课件

1、拉脱法测定液体的表面张力系数 南京理工大学物理实验中心南京理工大学物理实验中心一、实验背景为什么少量水银在干净的玻为什么少量水银在干净的玻璃板上会收缩成球冠状，而水却璃板上会收缩成球冠状，而水却会扩展开来？会扩展开来？为什么朝霞里青草上会洒满为什么朝霞里青草上会洒满晶莹的露珠？晶莹的露珠？其原因在于液体和固体界面其原因在于液体和固体界面附近分子的相互作用。附近分子的相互作用。 在液体与固体接触处，若固体和液体分子间的在液体与固体接触处，若固体和液体分子间的吸引力大于液体分子间的吸引力，液体就会沿固体吸引力大于液体分子间的吸引力，液体就会沿固体表面扩张，形成薄膜附着在固体上，这就是浸润；表面扩张

2、，形成薄膜附着在固体上，这就是浸润；反之，若固体和液体分子间的吸引力小于液体分子反之，若固体和液体分子间的吸引力小于液体分子间的吸引力，液体就不会沿固体表面扩张，不附着间的吸引力，液体就不会沿固体表面扩张，不附着在固体上，这种现象称为不浸润。在固体上，这种现象称为不浸润。 浸润与不浸润现象1. 1. 学习焦利秤测量微小力的原理和方法。学习焦利秤测量微小力的原理和方法。2. 2. 了解液体表面的性质，测定液体的表面了解液体表面的性质，测定液体的表面张力系数。张力系数。二、实验目的 焦利秤实际上是一种用于测焦利秤实际上是一种用于测微小力的精细弹簧秤。结构如微小力的精细弹簧秤。结构如右图，金属管右图

3、，金属管B B垂直竖立在三垂直竖立在三角底座上，带有毫米标尺的圆角底座上，带有毫米标尺的圆柱柱A A套在金属套管内。在金属套在金属套管内。在金属管管B B的上端固定有副尺的上端固定有副尺H H，圆柱，圆柱A A顶端伸出的支臂上挂一锥形顶端伸出的支臂上挂一锥形弹簧弹簧S S。转动旋钮。转动旋钮G G可使圆柱可使圆柱A A上下移动，因而也就调节了弹上下移动，因而也就调节了弹簧簧S S的升降。弹簧上升或下降的升降。弹簧上升或下降的距离由主尺（圆柱的距离由主尺（圆柱A A）和副）和副尺尺H H来确定。来确定。三、仪器简介 D D为固定在金属支架上一侧刻为固定在金属支架上一侧刻有半圆形刻线有半圆形刻线S

4、 S2 2的玻璃圆筒，的玻璃圆筒，C C为为挂在弹簧挂在弹簧S S下端的两头带钩的小平下端的两头带钩的小平面镜，镜面上有一刻线面镜，镜面上有一刻线S S1 1。实验时，。实验时，使使S S1 1、S S2 2及及S S2 2在小平面镜中的象在小平面镜中的象S S2 2 三者始终重合，简称三者始终重合，简称“三线对齐三线对齐”。用这种方法可保证弹簧下端的位置用这种方法可保证弹簧下端的位置是固定的，加负载后向上拉动弹簧是固定的，加负载后向上拉动弹簧确定伸长值。根据伸长值和弹簧倔确定伸长值。根据伸长值和弹簧倔强系数确定外力大小。强系数确定外力大小。E E为平台，为平台，转动其下端的螺钉转动其下端的螺

5、钉F F时平台时平台E E可升降。可升降。 钢针、硬币等物能漂在洁净的水表面，清晨小钢针、硬币等物能漂在洁净的水表面，清晨小草叶上的露水通常收缩成小球形状。这些现象提示，草叶上的露水通常收缩成小球形状。这些现象提示，液体表面（液气交界面）好比一层紧绷的薄膜，有液体表面（液气交界面）好比一层紧绷的薄膜，有自然收缩趋势，从而导致表面张力现象。用分子论自然收缩趋势，从而导致表面张力现象。用分子论观点看，液体表面层观点看，液体表面层( (约约1010-8-8cmcm)分子所处的环境跟液分子所处的环境跟液体内部的分子不同。在液体内部，分子比较密集，体内部的分子不同。在液体内部，分子比较密集，且受周围分子

6、的作用力的矢量和为零而处于液体且受周围分子的作用力的矢量和为零而处于液体表面层的分子，一方面有被吸引入液体内部的趋势，表面层的分子，一方面有被吸引入液体内部的趋势，另一方面因为处于一边是液态（水）一边是气态另一方面因为处于一边是液态（水）一边是气态（空气）的环境，表面层内分子比较稀疏而微观相（空气）的环境，表面层内分子比较稀疏而微观相互吸引，宏观上就呈现出表面张力现象。互吸引，宏观上就呈现出表面张力现象。 四、实验原理4.1表面张力想象在液面上划一条直线，表面张力就表现为想象在液面上划一条直线，表面张力就表现为直线两旁的液膜以一定的拉力相互作用。拉力直线两旁的液膜以一定的拉力相互作用。拉力 f

7、 f 存存在于表面层，方向恒与直线垂直，大小与直线的长度在于表面层，方向恒与直线垂直，大小与直线的长度 L L 成正比，即成正比，即 式中式中称为表面张力称为表面张力系数，它等于沿液面作用系数，它等于沿液面作用在分界线单位长度上的表在分界线单位长度上的表面张力面张力, ,其单位为其单位为NmNm-1-1。它的大小与液体的成分、它的大小与液体的成分、纯度、浓度以及温度有关。纯度、浓度以及温度有关。 4.2表面张力系数 如图所示：将一表如图所示：将一表面洁净的面洁净的型细金属丝框型细金属丝框浸入被测液体内，然后缓浸入被测液体内，然后缓缓拉起金属丝框，可看到缓拉起金属丝框，可看到金属丝带起一层液膜，

8、与金属丝带起一层液膜，与此同时弹簧被拉长。液膜此同时弹簧被拉长。液膜拉起过程中接触角拉起过程中接触角逐渐逐渐减小而趋向于零，当薄膜减小而趋向于零，当薄膜刚好破裂时，表面张力的刚好破裂时，表面张力的方向垂直向下。方向垂直向下。设设形框长为形框长为l l、直径为、直径为d d，脱离液体前各力平衡的条件为，脱离液体前各力平衡的条件为Fmgf式中式中F F是将是将形框拉出液面所施外力；形框拉出液面所施外力；mgmg为为形框和它所沾附的形框和它所沾附的液体的总重量。由于表面张力与接触面的周长液体的总重量。由于表面张力与接触面的周长 2(2(l+dl+d) )成正比，故成正比，故有有2 ()fld式中比例

9、系数式中比例系数为表面张力系数。为表面张力系数。， k k、l l、d d、 L L即可即可。)dl(Lk 2 f=F-mg=kf=F-mg=kL L)dl(mgF 2 1.测量弹簧的倔强系数k： 挂好弹簧、小镜子及砝码盘，挂好弹簧、小镜子及砝码盘， 调节调节“三线对齐三线对齐”。记录游标零线所指示的主。记录游标零线所指示的主尺上的读数。尺上的读数。 依次在砝码盘中加入依次在砝码盘中加入1.0g1.0g 的砝码，共的砝码，共5 5个，每次个，每次“三线对齐三线对齐”，记下标尺上相，记下标尺上相应读数应读数( (加加6g6g的读数仅供参考的读数仅供参考) )，然后再逐，然后再逐次取出次取出1.0

10、g1.0g 的砝码，记下标尺上相应的的砝码，记下标尺上相应的读数。求出相同拉力下读数的平均值。读数。求出相同拉力下读数的平均值。五、实验内容数据记录表1 测定弹簧劲度系数 k序号序号砝码重量砝码重量 （g）增重增重Si(10-3 kg)减重减重Si(10-3 kg)平均平均(10-3 kg)S S+3- S (10-3 m)10.0021.0032.0043.0054.00.65.00k = f / S 2.2.测量L 把把型框挂在平面镜下端的挂钩上。烧杯盛型框挂在平面镜下端的挂钩上。烧杯盛适当的水，放在平台上。调节适当的水，放在平台上。调节型框缓慢下降，型框缓慢下降，使使型框的横边恰好处于液

11、面位置，型框的横边恰好处于液面位置，“三线对三线对齐齐”，记下标尺读数，记下标尺读数s s0 0。然后一只手慢慢调节平。然后一只手慢慢调节平台下的螺丝使烧杯慢慢下降，另一只手慢慢调节台下的螺丝使烧杯慢慢下降，另一只手慢慢调节手轮，弹簧被拉长，在这一过程中要求保持手轮，弹簧被拉长，在这一过程中要求保持“三三线对齐线对齐”，直至水膜恰好破裂为止。记下标尺上，直至水膜恰好破裂为止。记下标尺上的刻度的刻度s si i，L L = = s si i s s0 0 ，反复测量五次。，反复测量五次。数据记录表2 测定液体表面张力系数金属丝框宽度 L = ；实验温度 t =液体液体次次数数金属丝框未浸入液金属

12、丝框未浸入液体时焦利氏秤读数体时焦利氏秤读数 S0/m金属丝框刚好脱金属丝框刚好脱离液面时焦利氏离液面时焦利氏秤读数秤读数 Si /m 差值差值 S-S0 /m表面张力系数表面张力系数 =k S/2L / Nm-1表面张力系表面张力系数平均值数平均值 / Nm-1水水12345 3.3.测量l l : : 把把型框取下，用游标卡尺测量其长度，型框取下，用游标卡尺测量其长度，反复测五次。反复测五次。4.4.测量把把型框取下，用螺旋测微器测量其型框取下，用螺旋测微器测量其 细丝直径，反复测五次。细丝直径，反复测五次。 5 5、数据处理数据处理(1)(1)逐差法计算逐差法计算 、 ，并计算，并计算

13、; ; ( (2)2)逐差法计算逐差法计算 , , 并计算并计算 ; ;(3)(3)计算计算 、 ，并计算，并计算 、 ；(4)(4)计算计算 及及 ，并将结果表示成，并将结果表示成 SkldLkuLuu luduuN12345678910 xix1x2x3x4x5x6x7x8x9x10)(91)()()()(91110910342312xxxxxxxxxxx 使用条件：等间隔、线性变化的测量数据。使用条件：等间隔、线性变化的测量数据。 优点是：充分利用各个测量数据，减小测量误差和扩大测优点是：充分利用各个测量数据，减小测量误差和扩大测量范围。量范围。 例如例如: :声速的测定实验中，用行波法

14、测量声波波长的以下一声速的测定实验中，用行波法测量声波波长的以下一列数据：列数据：如果直接计算每一个波峰的距离，然后平均，有：如果直接计算每一个波峰的距离，然后平均，有： 可以看出只有始末两次测量值起了作用，等效于只测可以看出只有始末两次测量值起了作用，等效于只测x x1 1和和x x10 10 。六、逐差法 为了充分利用测量数据，减小测量误差，应采用逐差法：为了充分利用测量数据，减小测量误差，应采用逐差法：（1 1） 将测量列按次序分为高低两组将测量列按次序分为高低两组 ; ;（2 2）取对应项的差值后再求平均：）取对应项的差值后再求平均：其中其中 为为5 5个峰值间的距离，即个峰值间的距离

15、，即: :521,xxx1076,xxx)()(51)()()()(5154321109876510382716xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx5x 1. 1. 测量表面张力时，动作要慢，还要防止仪测量表面张力时，动作要慢，还要防止仪器受振动。器受振动。2. 2. 实验时要注意保护弹簧使其不受折损，不实验时要注意保护弹簧使其不受折损，不要随意拉长或挂重物，要轻拿轻放，切忌用力要随意拉长或挂重物，要轻拿轻放，切忌用力拉。拉。 3. 3. 型金属丝框和烧杯中的水必须保持洁净，型金属丝框和烧杯中的水必须保持洁净，不要用手触摸烧杯内侧和不要用手触摸烧杯内侧和型金属丝，也不要型金属丝，也不要用手触及水面。用手触及水面。七、注意事项1.1. 什么是什么是“三线对齐三线对齐”？本实验中测量表面张力？本实验中测量表面张力时缓慢地将时缓慢地将型金属丝框从水中拉起，该过程型金属丝框从水中拉起，该过程中需要时刻保证中需要时刻保证“三线对齐三线对齐”，应如何操作？，应如何操作？2. 2. 实验中要求把实验中要求把型