实验二 表面张力系数的测定 - 南京农业大学物理实验教学中心

实验二 表面张力系数的测定一、实验目的（一）用毛细管法测定水的表面张力系数；（二）掌握读数显微镜的使用方法。二、实验器材读数显微镜（1台） 玻璃毛细管（1支） 精密温度计 （1支）洗耳球 （1只） 培养皿 （1只） 吸水纸 （1张）毫米分度尺（1支） 木支架 （1只）三、实验原理与仪器使用（一）毛细现象与表面张力系数将很细的玻璃管插入水中时管内液面会升高；而将玻璃细管插入水银中时，管内的液面会下降。这种润湿管壁的液体在细管内升高，不润湿管壁的液体在细管内下降的现象称为毛细现象。如图21所示表示润湿情况下的毛细现象。实验与理论都证明，液体在毛细管中上升或下降的高度为：式中为液体的表面张力系数，即垂直作用于液面上单位长度直线段两侧的表面张力。单位为牛顿/米。不同的液体不同，同一种液体的数值与温度有关，温度升高，减小。 称为接触角，为锐角，表示细管内液体表面形成凹弯月面，液体在管内上升，h为正值，如图21所示。为钝角，表示细管内液体表面形成凸弯月面，液体在管内下降，h为负值。水与玻璃间的约为8度。 为液体的密度，水在不同温度下值不同，可从讲义后面的附图曲线中查出。g为重力加速度，南京地区的g=9.7944米/秒2。r为毛细管内半径，D为其直径。式21可变换为：通过测量h、D，可计算出值。（二）读数显微镜的构造与使用方法读数显微镜可用于测量微小物体的长度，其精确度为0.01毫米。读数显微镜包括两个主要部分，即观察部分和读数部分。观察部分就是一架低倍显微镜。其成像光路如图22所示，被观察物体AB位于物镜O的焦点之外适当距离处，物体产生的实象A1B1位于目镜E的焦点之内。目镜再将此实象放大，在离人眼约25厘米处得到一个放大的虚象A2B2，在第一次实象A1B1的位置上，装有十字叉丝K，以便对准物体或物体的某一部分进行测量。显微镜的物镜和目镜装在镜筒内。在使用显微镜时，测量前应先调节目镜中上下两透镜的距离（微微转动上透镜），至所见叉丝清晰为止，然后再对待测物调焦。一般只要调节显微镜筒（图23）中的调焦手轮4的上下位置以改变物体到物镜的距离，就能在镜中看到清晰的像。读数部分由标尺16与测微手轮15组成。标尺上最小刻度为1毫米，手轮的圆周分成100小格，手轮转动一周，镜筒移动1毫米。手轮转动一小格，镜筒移动0.01毫米。所以读数显微镜的精确度为0.01毫米。镜筒上移动的长度，可由和镜筒联在一起的0标度线在主尺上的移动读数及测微手轮的读数读出。应用读数显微镜测长度的方法是：把待测物体置于显微镜下，从目镜中找到物体清晰的象，并同时看到十字叉丝。适当转动目镜，使十字叉丝的一条线与标尺平行，则另一条线即与标尺垂直。由于丝杆和螺母之间有一定的距离，故在测量过程中必须按一定方向旋转测微手轮15，以免产生误差。例如要测圆孔的直径D，先把十字叉丝调到A/B/的位置，见图24，再旋转手轮使叉丝移到AB（叉丝与圆的一边相切），读下这时的读数（标尺上读数和手轮上读数之和）R1，再继续旋转手轮使叉丝到CD的位置，读下读数R2，则可求得直径如要再测量一次，则应先把叉丝移到C/D/的位置，然后反向旋转手轮，在叉丝位置为CD时读下R/2，叉丝位置为AB时读下读数R/1，同样可求得直径D： 读数显微镜的主光轴也可以调至沿水平方向。方法是将与显微镜相连的方轴由接头轴中抽出，将方轴转向垂直方向后插入接头轴上端垂直孔中，这样主光轴便沿着水平方向了。在本实验中基本以这样的装置来测量横置的毛细管的内直径。四、实验步骤（一）洗涤毛细管与器皿1、在培养皿中倒入少许洗液（或清水），将玻璃毛细管插入洗液中，用洗耳球的管口对准毛细管的上端，将洗液缓缓吸入毛细管中，务必使大部分管壁均接触到洗液，而又不让洗液溢出管外，然后再用洗耳球将洗液吹回培养皿中。如此反复数次后，用吸水纸吸净管下端的洗液。再将毛细管调换一头插入洗液中，用同样方法洗涤，以达到洗净全管壁的目的。2、慢慢侧转培养皿，使洗液沾满其内壁，然后将洗液倒入原瓶中。再用自来水冲净培养皿中的洗液。3、在培养皿中倒入少许蒸馏水，用步骤1的方法冲洗毛细管中的洗液。要求换三次蒸馏水，冲洗三次，同时用蒸馏水将培养皿洗净。若步骤1中用清水洗涤毛细管，则2、3两步骤可省略。（二）测量1、测量高度h：将毛细管垂直插入装有蒸馏水的培养皿中，待蒸馏水沿毛细管上升到稳定后，用毫米分度尺测量毛细管内外水面高度差h（如图21所示）。测量三次，取平均值。2、测量直径D，将毛细管横置于支架上，用读数显微镜对准，测量其内直径D。转动毛细管，测量三次，取平均值。3、用温度计测量水温t，根据t值，在讲义后面的附图曲线上查出水的密度值。4、从附图曲线上查出水在该温度下的表面张力系数。作为标准值，计算实验所得值的百分误差。五、注意事项1器皿与毛细管必须洗干净才能进行测量。2在使用读数显微镜前要掌握其正确的使用方法，反向转动时要防