实验九液体表面张力系数的测定

1、实验九（）液体表面张力系数的测定（用毛细管法）实验目的 用毛细管法测液体表面的张力系数。实验仪器 毛细管，烧杯，温度计，显微镜，测 高仪，纯净水银等。#图一一实验原理77*If图一一将毛细管插入无限广阔的水中，由于 水对玻璃是浸润的，在管内的水面将成凹 面。已知液体的表面在其性质方面类似于一张 紧的弹性薄膜。当液体为曲面时，由于它有变 平的趋势，所以弯曲的液面对于下层的液体施 以压力，液面成凸面时，这压力是正的，液面 成凹面时，这压力是负的，如图一一所示。在 图一一 中，毛细管中的水面是凹面，它对下 层的水施加以负压，使管内水面点的压强比水 面上方的大气压强小，如图一一中（）所示， 而在管外的

2、平液面处，与点在同一水平面上的 点仍于水面上方的大气压强相等。当液体静止 时，在同一水平面上两点的压强应相等，而现在同一水平面上的、两点压强不相等。因此，液体不能平衡，水将从管外流向管中使管 中水面升高，直至点和点的压强相等为止，如图一一中（）所示。设毛细管的截面为圆 形，则毛细管内的凹水面可近似地看成为半径的半环球面，若管内水面下点与大气压的 压强差为，则水面平衡的条件应当是Tir2 =27TrYcOsT（ ）式中为毛细管半径，0为接触角，Y为表面张力系数。如水在毛细管中上升的高度 为，则= fgh式中P为水的密度。将此公式代入式（ ） ，可得fgh 兀 r2 =2JrrYcosT(-)理_

3、电hr2cos 日对于清洁的玻璃和水，接触角0近似为零，则测量时是以管中凹面最低点到管外水平液面的高度为，而在此高度以上，在凹面周 围还有少量的水，因为可以将毛细管中的凹面看成为半球形，所以凹面周围水的体积应 等于（n） 1（町3） = -Tir3 =（油2）,即等于管中高为r的水柱的体积。因此，上述2 3333讨论中的值，应增加 r的修正值。于是公式（）成为31rY石內（h写测量时毛细管是插入内半径为L的圆柱形杯子的中心，如以r 表示毛细管的外半径，则毛细管中水上升的高度要比在无限广阔的液体中大些，因此要加一修正项，则公式（）为1rrre(h+評一实验内容fl.将一弯钩形状并附有针尖的玻璃棒

4、和毛细管夹在一起 如图-所示，并插入在盛水的烧杯使毛细管壁充分浸润， 放好烧杯使针尖在水面稍微下一点的地方。如图-所示， 在烧杯中插一个形虹吸管其下端的胶管上有一夹子，可使烧如图即图杯中的水一滴滴地流出。 从水面下方观察针尖及水面所成的 针尖的像，在针尖及其像刚刚相接时， 表示针尖正在水面处， 拧紧虹吸管的夹子使水面稳定在这个位置。设置针尖的目 的，是因为测量时，直接测量外液面的位置不易测准， 中安置针尖之后，测量出针尖到毛细管中凹面的高度差， 为所求的值。.在毛细管前方一1m远处安置测高仪，使其望远镜中十字丝横线在水平方向。通 过望远镜观察毛细管及针尖，使二者都能在望远镜的视野中。上下移动望

5、远镜使其十字 线的横线刚好和毛细管中凹面的最低点相切，由测高仪上的游标读出望远镜的位置 然后轻轻移开烧杯（不要碰毛细管），向下平移望远镜，使十字丝横线和针尖刚好相接,此时望远镜的位置为，则= a-。这一步骤要反复测次。.测量水的温度（单位用C）。.用显微镜测毛细管半径。将显微镜镜筒转到水平方向，毛细管也转到水平方向并 使二者轴线一致。用显微镜对准毛细管管口，在聚焦之后，测其孔的直径。然后将毛细 管转再测量毛细管的直径。并在毛细管另一端管口也进行同样的测量。.实验中要注意：首先，实验时要特别注意清洁，不能用手接触水、毛细管的下半 部和烧杯的里侧。每次实验后要将毛细管浸在洗涤液中，实验前用蒸馏水充

6、分冲洗，烧 杯也要用酒精擦洗后再用纯净水冲洗好。其次，在步骤中，在测量完毛细管中凹面位置 之后移开烧杯时，要注意不能碰上毛细管及针尖。数据处理_根据步骤可以求出平均半径。=计算在温度(单位用C)时水的表面张力系数及其标准不确定度。在计算不确定 度的时候，可以略去修正项的不确定度。附录水的表面张力系数公认值 Y = ( )X () O此式来源于赵家风主编大学物理实验第页。思考题_能否用毛细管法测量水银的表面张力系数？=为什么本实验特别强调清洁？(1 ) 滴重法 使液体受重力作用从垂直安放的毛细管向下滴落，当液滴最大时，其半径即为毛细管半径。此时，重力与表面张力相平衡，即mg = Re由于液滴形状

7、的变化及不完全滴落，故重力项还需乘以校正系数。是毛细管半径与液滴体积的函数，可在有关手册中查得。整理上式则得mgCT =F R()式中每滴液体的质量可由称量而得。若将液滴下落于另一液体之中，滴重法测得的即为液体之间的界面张力。(二)环【实验原理】.溶液中的表面吸附原理见最大气泡法.环法测表面张力拉环法是应用相当广泛的方法，它可以 测定纯液体溶液的表面张力；也可测定液体 的界面张力。将一个金属环(如铂丝环)放在液 面(或界面)上与润湿该金属环的液体相接触， 则把金属环从该液体拉出所需的拉力是由液 体表面张力、环的内径及环的外径所决定。 设环被拉起时带起一个液体圆柱(如图 2-26-4)，则将环拉

8、离液面所需总拉力等于液 柱的重量：图2-26-4环法测表面张力的理想情况=n/+ 式中，为液柱重量； 为环的内半径；为环丝半径; 体的表面张力。no(+ ) =no(+ ) =n(T 为环的平均半径，即=()+ ； (T为液实际上，（）式是理想的情况，与实际不相符 合，因为被环拉起的液体并非是圆柱形，而是如图2- 26- 5所示。实验证明，环所拉起的液体形 态是（是圆环带起来的液体体积，可用=P的关系求出，P为液体的密度）和的函数，同时也 是表面张力的函数。因此（）式必须乘上校正因子 才能得到正确结果。对于（）式的校正方程为：图2-26-5环法测表面张力的实际情况拉力可通过扭力丝天平测出式中，

9、为铂丝半径；为铂丝长度; 度。当，和a不变时，则：式中，为常数；扭力仅与0有关, 所以，实际的表面张力为：=n 4PF0=4兀R()()jiotrQ扭力= I2Lda为铂丝切变弹性系数；为力臂长度；0为扭转的角()扭力=0= n（T所以b与0有关，测出0即可求得 4值 该值为()0表观。()()（7实际=莎表观校正因子可由下式计算:F =0.7250+.01452&表观 + 0.04534 1.679 丄V L2 PR式中，为铂环周长；P为溶液密度；为铂环半径；为铂丝半径。拉环法的优点是可以快速测定表面张力。缺点是因为拉环过程环经过移动，很难避免液面的振动，这就降低了准确度。另外环要放在液面上

10、，如果偏差将引起误差;如果偏差误差达，因此环必须保持水平。拉环法要求接触角为零，即环必须完全被 液体所润湿，否则结果偏低。【仪器试剂】扭力天平台；容量瓶（，只、容量 瓶，只）；移液管（，支、，支）。正丁醇（.）。【操作步骤】.取两个容量瓶，分别 制、 正丁醇水溶液。然后取个 容量瓶，用已配制的溶液，按逐次稀 释方法制、正丁醇水溶液。.将仪器放在不受振动和平稳的 地方，用横梁上的水准泡，调节螺旋 把仪器调到水平状态。.用热洗液浸泡铂丝环和玻璃杯 （或用结晶皿），然后用蒸馏水洗净， 干。铂丝环应十分平整，洗净后不许 用手触摸。.将铂丝环悬挂在吊杆臂的下末 端，旋转蜗轮把手使刻度盘指“ 0 ”。 然

11、后， 把臂的制止器和打开， 使目镜中三线重合。91113127104图2-26-6扭力天平结构图、臂；调水平螺丝;微调；蜗轮把手；放大镜；水准仪5样品座；调样品座螺丝；刻度盘；游标;止器；游码；、制则旋转微调蜗轮把手进行调整。（从最稀的溶液开始测量）,）。如果不重合，.用少量待测正丁醇水溶液洗玻璃杯，然后注入该溶液 将玻璃杯置于平台上。.旋转使样品台1升高，直到玻璃杯上液体刚好同铂丝环接触为止（注意：环与液面必须呈水平）。同时旋转旋转蜗轮把手来增加钢丝的扭力，同时用样品台下旋钮降低样 品台位置。此操作应协调并小心缓慢地进行，确保目镜中三线始终重合，直到铂丝环离 开液面为止，此时刻度盘上的读数即

12、为待测液的表面张力值。连续测量三次，取其平均 值（注意：每次测定完后，反时针旋转使指针反时针返回到零，否则扭力变化很大.更换另一浓度的溶液，按上述方法测其表面张力。.记录测定时的温度。【数据处理】.将实验数据列表。（7实际O.根据（）式求出校正因子，并求出各浓度正丁醇水溶液的.绘出b图。在曲线上选取点作切线求出值。.由r=计算不同浓度溶液的 r值，并作r图，求 r并计算和&【注意事项】铂环易损坏变形，使用时要小心，切勿使其受力或碰撞。，使扭力丝受力，而损坏仪游标旋转至零时，应沿逆时针方向回转，切勿旋转 器。实验完毕，关闭仪器制止器，仔细清洗铂丝环和样品杯。思考题. 影响本实验的主要因素有哪些？. 使用扭力天平时应注意哪些问题？. 扭力天平的铂环清洁与否对测表面张力有何影响？【讨论】. 测定液体表面张力有多种方法，例如：拉脱法、滴体积法、毛细管法和最大气泡压力法等。拉 脱法表面张力仪主要分为吊环法和吊片法两种，仪器有数字表面张力仪、全自动界面张力仪等多种仪 器。. 各种测定表面张力方法的比较 环法精确度在以内，它的优点是测量快，用量少，计算简单。最大的缺点是控制温度困难。对易 挥发性液体常因部分挥发使温度较室温略低。最大气泡法所用设备简单，操作和计算也简单，一