实验五液体表面张力系数的测定.doc

1、实验五 液体表面张力系数的测定实验目的：1、了解液体表面性质。2熟悉用拉脱法测定表面张力系数的方法。3、熟悉用焦利弹簧秤测量微小力的方法。实验仪器：焦利弹簧秤，被测液体，游标卡尺，矩形金属框，烧杯，砝码及托盘等实验原理：1、面张力的由来假设液体表面附近分子的密度和内部一样， 它们的间距大体上在势能曲线的 最低点，即相互处在平衡的位置上。由图（1）可以看出，分子间的距离从平衡 位置拉开时，分子间的吸引力先加大后减小，在这儿只涉及到吸引力加大的一段， 如图（2）所示，设想内部某个分子 A欲向表面迁徙，它必须排开分子1、2,并 克服两侧分子3、4和后面分子5对它的吸引力。用势能的概念来说明，就是它处

2、在图（3）左边的势阱中，需要有大小为Ed的 激活能才能越过势垒，跑到表面去。然而表面某个分子B要想挤向内部，它只需 排开分子T、和克服两侧分子3、的吸引力即可，后面没有分子拉它。所以它所I处的势阱（图（3）中右边的那个）较浅，只要较小的激活能 Ed就可越过势垒， 潜入液体内部。这样一来，由于表面分子向内扩散比内部分子向表面扩散来得容 易，表面分子会变得稀疏了，其后果是它们之间的距离从平衡位置稍为拉开了一 些，于是相互之间产生的吸引力加大了，这就是图 （3）右边所示的情况。此时分I子B需克服分子3、对它的吸引力比刚才大，从而它的势阱也变深了，直到Ed变 得和Ed 样时，内外扩散达到平衡。所以在平

3、衡状态下液体表面层内的分子略 为稀疏，分子间距比平衡位置稍大，在它们之间存在切向的吸引力。 这便是表面 张力的由来。在刚才的讨论中未考虑液面外是否有气体。如果有，则分子B背后有气体的分子拉它，这显然会使上述差距减小，从而减小表面张力。事实也确实如此。 如果液面外只是它的饱和蒸气，当温度逐步上升到临界点时，饱和蒸气的密度增 到与液态的密度相等，液面两侧的不对称性消失，表面张力也就消失了。原子扩散的等效券能2、实验设计我们设想在液面上作一长为L的线段，则表面张力的作用就表现在线段两边 的液体以一定的力F相互作用，且作用力的方向与L垂直，其大小与线段的长度 成正比。即F L，式中为液体的表面张力系数

4、，即作用于液面单位长度上的 表面张力。采用拉脱法测定液体的表面张力系数是直接测定法， 通常采用物体的弹性形 变来量度力的大小。若将一个矩形细金属丝框浸入被测液体内，然后再慢慢地将它向上拉出 液面，可看到金属丝带出一层液膜，如图（4）所示。设金属丝的直径为a，拉 起液膜将破裂时的拉力为F ,膜的高度为h，膜的宽度为b，因为拉出的液膜有 前后两个表面，而且其中间有一层厚度近似为 a的被测液体，且这部分液体有自 身的重量，故它所受到的重力为 mg bah g （由于金属丝的直径很小，所以这 一项很小，一般忽略不计），所受表面张力为2f 2（b a），故有F 2f Mg或变形为(F Mg)(1)2(b

5、 a)式中，为被测液体的密度，g为当地重力加速度，Mg为金属框所受重力与浮力之差。图5）焦力氐称一标尺辭标A立柱外力柱症机旷平台谓节握爼6-穢侔杯T-宏力坏吕-弾黄9-坯堵管帚镜挂钧从式（1）可以看出，只要实验测定出（F Mg）、b、a等物理量，由式（1）便可 算出液体的表面张力系数 。显然，b、a都比较容易测，只有F Mg是一个微 小力，用一般的方法难以测准。故本实验的核心是测量这个微小力 F ,利用焦利 弹簧秤测量。表面张力系数与液体的种类、纯度、温度和液体上方的气体成分有关。实验 表明，液体的温度约高，的值约小；所含杂质越多，的值也越小。3、仪器介绍如图（5）所示，焦利秤实际上是一个精细

6、的弹簧秤，是测量微小力的仪器。 在直立的金属套筒内设有可上下移动的金属杆， 1 的上端设有游标 2，1 的横梁 上悬一根细弹簧8,8下端挂有圆柱形10并有水平刻线G,（也称指标杆G ,G的下方设一小钩，用来悬挂砝码盘或矩形金属丝框架。金属套筒的中下部附有 刻有横线的玻璃套筒 9 和能够上下移动的平台 6。金属套筒的下端设有旋钮 4， 转动 4 可使金属杆 1 上下移动，移动的距离由 1 上的刻度和游标 2来确定。使用时，先照图（ 5）正确安装仪器，使带横线的小镜子 1 0穿过玻璃套筒 9 的内部，并使镜面朝外调节底座上的螺钉，使小镜子 1 0沿竖直方向振动时不 与玻璃套筒 9 发生摩擦然后应旋

7、转旋钮 4，使小镜子 10 上的刻线与玻璃套筒 9 上的刻线以及 9 上刻线在小镜子里的像三者相互对齐，即所谓“三线对齐”。用 这种方法保证弹簧的下端的位置是固定不变的， 而弹簧的上端可以向上沿伸， 需 要确定弹簧的伸长时，可由 1 上的米尺和游标 2 来确定（即伸长前、后两次的读 数之差值 ） 。根据胡克定律，在弹性限度内，弹簧的伸长量x与所加的外力F成正比，即F K X,式中K是弹簧的劲度系数，对一特定的弹簧，K值是确定的。如果 我们将已知重量的砝码加在砝码盘中，测出弹簧的伸长量，即可算出弹簧的K值， 这一步骤称为焦利秤的校准。 使用焦利秤测量微小力时， 应先校准。 利用校准后 的焦利秤，

8、就可测出弹簧的伸长量，从而求得作用于弹簧上的外力 F 。弹簧的劲度系数越小，就越容易伸长，即弹簧越细，各螺旋环的半径越大， 弹簧的圈数越多，K值就越小，弹簧越容易伸长。同时弹簧材料的切变模量越小， 弹簧越容易伸长。 选用 K 值小的弹簧， 其测量微小力的灵敏度就高。 所以本实验 中，一定要在有关实验人员的指导下得知弹簧的最大负荷值， 并且在使用、 安装 过程中一定要轻拿轻放，倍加爱护。实验内容与步骤：1、按照图（ 5）挂好弹簧、小镜子 1 0及砝码盘，调节三角底座上的螺钉使 小镜子 10铅直（即小镜子 10与玻璃套筒9的内壁不摩擦）。然后转动旋钮4,使“三线对齐”（观察时眼睛要与 玻璃套筒上的

9、水平线等高）。记录游标零线所指示的米尺上的读数 Lo。2、 依次将实验室给定的砝码加在砝码盘内，逐次增加至0.5g , 1.0g， 3.5g（每加一次均需要转动旋钮4,重新调到“三线对齐”），分别记录1柱上米 尺的读数Ll、L2 L9，并在表（1）中记录数据，然后依次减去0.5g砝码，步骤 同上，用逐差法求弹簧的劲度，再算出劲度系数是的平均值及其不确定度。3、 用酒精棉球仔细擦洗矩形金属丝框架，然后挂在砝码盘下的小钩上，转动旋钮4，重新使“三线对齐”，记录游标零线所指示的米尺读数So。4、 将盛有多半杯蒸镏水的烧杯置于平台上，转动平台下端的螺丝5，使矩形形金属丝框先浸入水中，然后缓慢地调节螺丝

10、5使平台慢慢下降，直至矩形金属丝横臂高出水面，此时水的表面张力作用在矩形金属丝上，小镜子10上的弹簧受到向下的表面张力的作用也随之伸长，这样小镜子上的刻线G也随着下降，使“三线”不再对齐。眼睛对准玻璃套筒上的水平 刻线D,用另一只手缓缓向上旋动旋钮4，使“三线”重新对齐，同时调节平台调节旋钮5使之再下降，直到矩形金属丝框架下的水膜刚要断裂止（或刚刚断裂）。先观察几次水膜在调节过程中不断被拉伸、最后破裂的现象。 然后再把金属丝框架欲要脱离而尚未脱离水膜的一瞬时的米尺1上的读数S|记录下来。5、 重复步骤3和4五次，测出弹簧的平均伸长S S0及其不确定度，则（F Mg） K （S S0）。6、记录

11、实验前后的水温，以平均值作为水的温度。测量矩形金属丝横臂的长度b、直径a的数值，并计算的值及其不确定度。数据处理表(1)用逐差法求K其中2VlLi 5Li(Li 5 Li)质量m(10-3kg)增重位置Li (10-2m)减重位置1L21 (10 m)平均位置L LL (10 -2m)Li 5Li(10-2m)碍-Li 5 LiK5mgLi 5 L()K(Li 5Li)()1 Vur 匚(Li 5 Li)Nn(n 1)()2表（1）求S S(单位：10-2 m)SoSS SoV(S So)V(S So)s SoS Son(n 1)其/、中( )b (V(S So)2(s So) (S So)(s So)b () ma ()mmT (a ()ocK (S So)测量结果：2(a b)()222Ur(Li 5 LJi 5 Li(S So)S So(b a)b a结果表示：()Ur()%注意事项1、实验时矩形金属丝框不能倾斜，否则，矩形框拉出水面时液膜将过 早地破裂，给实验带来误差。2、矩形金属丝先用酒精灯烧红，再清洗后不允许手碰。3、焦利秤中使用的弹簧是易损精密器件，要轻拿轻放，切忌用力拉。思考题1