用拉脱法测定液体的表面张力系数实验

实验二、用拉脱法测定液体的表面张力系数液体表层厚度约10-10m内的分子所处的条件与液体内部不同，液体内部每一分子被周围其它分子所包围，分子所受的作用力合力为零。由于液体表面上方接触的气体分子，其密度远小于液体分子密度，因此液面每一分子受到向外的引力比向内的引力要小得多，也就是说所受的合力不为零，力的方向是垂直与液面并指向液体内部，该力使液体表面收缩，直至达到动态平衡。因此，在宏观上，液体具有尽量缩小其表面积的趋势，液体表面好象一张拉紧了的橡皮膜。这种沿着液体表面的、收缩表面的力称为表面张力。表面张力能说明液体的许多现象，例如润湿现象、毛细管现象及泡沫的形成等。在工业生产和科学研究中常常要涉及到液体特有的性质和现象。比如化工生产中液体的传输过程、药物制备过程及生物工程研究领域中关于动、植物体内液体的运动与平衡等问题。因此，了解液体表面性质和现象，掌握测定液体表面张力系数的方法是具有重要实际意义的。测定液体表面张力系数的方法通常有：拉脱法、毛细管升高法和液滴测重法等。本实验仅介绍拉脱法。拉脱法是一种直接测定法。【实验目的】了解FB737新型焦利氏秤实验仪的基本结构，掌握用标准砝码对测量仪进行定标的方法；观察拉脱法测液体表面张力的物理过程和物理现象并用物理学基本概念和定律进行分析和研究，加深对物理规律的认识。掌握用拉脱法测定纯水的表面张力系数及用逐差法处理数据。【实验原理】图1液体的表面张力示意图1.测量公式推导：图1液体的表面张力示意图当逐渐拉提口形铝片框时，中角逐渐变小而接近为零，这时所拉出的液膜前后两个表面的表面张力f均垂直向下。设拉起液膜将破裂时的拉力为F，则有F=(m+m°)•g+2f (1)式中：m为粘附在框上的液膜质量，mo为线框质量。因表面张力的大小与接触面周界长度成正比，则有：2f=2a•(L+d) (2)比例系数a称表面张力系数，单位为N/m。由，(2)式得:(3)F-(m+m)•ga= 0 (3)2(L+d)由于口形铝片框很薄，被拉起的水膜很薄，m较小，可以将其忽略，且一般有L>>d，那么L+d=L，于是(3)式可以简化为：(4)a=F-mo•g2L

(4)2.用FB737新型焦利氏秤实验仪来测量F-m0•g值:FB737新型焦利氏秤实验仪相当于一个精密的弹簧称，常用于测量微小的力，根据胡克定理制作而成。如果测出口形铝片框浸入液体时弹簧下端位置的读数S，然后测出口形1弹簧下端位置的读数S，则有:2F-m°•弹簧下端位置的读数S，则有:2F-m°•g=K.(S2-S「这样，图2门型金属框测定表面张力示意图K・(S2-S1)2L(5)实验只需测出弹簧倔强系数K,实验只需测出弹簧倔强系数K,液体的表面张力系数。*,S2以及口形铝片框的宽度L，便可由(5)式求得所测【实验仪器】FB737新型焦利氏秤实验仪、水槽及平台升降调节装置等仪器功能分布简介L弹簧挂钩锁定螺钉；2弹簧.3：游标M置细调滚花螺母；14.带配重块的指针、吊钩；5.带基准线平面镜.6.徐钢托盘与硅码；流9.可升降平台；10.¥台升降调节螺钉；11.弹簧挂钩；12.仪器立杆与毫米刻度尺；13铅锤线.14：带平面膏(刻线)游标装置；游标粗调移动滑杆；仪器底盘水平调节螺钉；1二游标位置粗调锁定螺钉〔在背面)；图3用拉脱法测定液体的表面张力系数的示意图【实验内容及步骤】FB737新型焦利氏秤实验仪的定标：按图3安装好实验仪器并利用铅锤线调节仪器底座为水平状态；在主尺顶部安装1#弹簧，再依次挂入带配重块的指针吊钩、砝码托盘，松开顶端挂钩锁紧螺钉，旋转顶端弹簧挂钩，使小指针正好轻轻靠在平面镜上(注意：力度要适当，若靠得太紧，可能会因摩擦太大带来附加的系统误差)，以便准确读数。调整小游标的高度使小游标平面镜的基准刻线大致对准指针，锁紧固定小游标的锁紧螺钉，然后调整视差，先让指针与镜子中的虚像重合，再细心调节小游标上的调节螺母，使得小游标平面镜上的基准刻线、指针以及指针在镜子中的虚像三线重合。通过主尺和游标尺读出读数（读数原理和方法与游标卡尺相同）。（4） 然后在砝码托盘中放入0.500g砝码，再重复实验步骤（3），读出此时指针所在的位置值。逐个放入7个0.500g砝码，通过主尺和游标尺依次读出每个砝码放入后小指针的位置，再依次把这7个砝码取下托盘，记下对应的位置值。（5） 根据每次放入或取下砝码时弹簧所受的重力和对应的拉伸值，用逐差法计算弹簧的倔强系数K。用拉脱法测定液体的表面张力系数：（1） 先将口形铝片用镊子夹住用碱溶液清洗，以除去油污，再用清水洗去碱溶液。然后将其挂于砝码盘下的小钩上。（2） 调节游标位置，在“三线对齐”条件下，记录初读数S1。（3） 在水槽⑧中加满水（或其它液体）调节平台升降旋钮⑩，将口形铝片浸入液体中，先把滚花螺母③调节到靠近游标滑块的位置，以便水槽平台下降时，可以调节滚花螺母③使游标滑块下降，满足调节“三线对齐”的要求。（4） 缓慢地调节平台升降旋钮⑩，使水槽缓慢地下降，门形铝片框逐渐被拉起（相对液体平面而言），同时调节滚花螺母③，使游标滑块指针跟踪下降，始终保持“三线对齐”。（5） 直到门形金属框与液面拉脱（直到水膜破裂为止），立即停止操作，记下S2。（6） 重复以上步骤进行多次测量，记下每次读数S1和S2，分析S2i-Sh的离散性，取相近的5组数据作为测量结果。（7） 用游标尺或米尺测量口形铝片框宽度L，重复5次，测量时要防止金属框变形。【数据与结果】对实验仪进行定标，将测试数据记入表3,用逐差法求弹簧的倔强系数K；用拉脱法测量液体表面张力，记录弹簧的伸长量8S。（1）数据记录参考表1.用逐差法求仪器弹簧的屈强系数K（N/m）:数据记录表格先记录砝码盘等作为初读数x0=10-3mm，然后每次增加一个砝码m=500.00x10-6kg，（该标准砝码符合国家标准，相对误差为0.005%）表格3砝码质量Skg）增重读数x'(10-3m)减重读数x"(10-3m)ix'+x"C)v—: 卜vn3mJ等间距逐差：（0-3m）8x.—x.-x.x—i itu3mi/i 20.008x—x-x500.001000.008x—x-x1500.00

2000.00Sx=x-x2500.003000.00Sx=x-x3500.008x为每500.00X10-6kg对应的测定仪的10-3m读8x=4(5x+88x为每500.00X10-6kg对应的测定仪的10-3m读 (N/m)2.用拉脱法测定S],S2,计算液体的表面张力系数：表格4水温(室温)°C △仪=0.5x10-3m-......测量值次数S1S2伸长量SS=S-S2 112345(2)数据处理方法:8S=5(5S]+8S2++8S5)△2=S2+A2Ss Ss 仪于是： ss=Ss±aSS多次测量门形框的宽度：l=l±Al4.计算以及不确定度：-K•SS

a= 最后，把结果表示为：a=a±Aa5.对实验结果作出分析和评判：查出室温下水的表面张力系数a的理论值，以此值作为近似真值，求测量结果的误差并与Aa比较。【思考题】什么叫表面张力？表面张