液体表面张力系数的测定
实验内容
1.测定焦利氏弹簧的倔强系数.
2.测定水的表面张力系数.
教学要求
1.了解焦利氏秤测微小力的原理,结构和方法.
2.学习拉脱法测定水的表面张力系数.
3.掌握用逐差法处理数据.
4.了解弹簧平衡位置的选取对所研究问题的作用.
实验器材
焦利氏秤,∏型金属丝框,0.5g法码10只,游标卡尺,玻璃杯,酒精,金属镊子,温度计.
许多涉及液体的物理现象都与液体的表面性质有关,液体表面的主要性质就是表面张力.例如
液体与固体接触时的浸润与不浸润现象,毛细现象,液体泡沫的形成等,工业生产中使用的浮
选技术,动植物体内液体的运动,土壤中水的运动等都是液体表面张力的表现.
液体表面是具有厚度为分子有效半径(约m)的液体薄层.
根据分子运动论,液体表面层内的液体分子与液体内部分子比较,缺少一半能对其起吸收作用
的液体分子,因而受到一个指向液体内部的力,这样,液体表面在宏观上就好像一张绷紧的橡
皮膜,存在沿着表面并使表面趋于收缩的应力,这种力称为表面张力.用表面张力系数来描述.
因此,对液体表面张力系数的测定,可以为分析液体表面的分子分布及结构提供帮助.
液体的表面张力系数与液体的性质,杂质情况,温度等有关.当液面与其蒸汽相接触时,表面张
力仅与液体性质及温度有关.一般来讲,密度小,易挥发液体小;温度愈高,愈小.
测量液体表面张力系数有多种方法,如拉脱法,毛细管法,平板法,最大工业气泡压力法等.本实
验是用拉脱法测定水的表面张力系数.
实验原理
如果在液体表面想象一条直线段,那么,表面张力就表现为线段两边的的液面会以一定的拉力
相互作用,此拉力方向垂直于线段,大小与此线段的长度成正比,即
(6-1)
其中,为液体表面张力系数,国际制中单位为牛顿/米,记为N M-1,数值上等于作用在液体表
面单位长度上的力的大小.
拉脱法测定液体表面张力系数是基于液体与固体接触时的表面现象提出的.由分子运动论可
知,当液体分子和与其接触的固体分子之间的吸引力大于液体分子的内聚力时,就会产生液体
浸润固体的现象.
现将一洁净∏型金属丝浸入水中,由于水能浸润金属,当拉起金属丝时,在∏型金属丝框内就形
成双面水膜.
设∏型金属丝的直径为d,内宽为L,重量mg,受浮力f,弹簧向上的拉力F,液体的表面张力为.则
∏型丝的受力平衡条件为
(6-2)
设接触角为β,由于水膜宽度为(L+d),则表面张力为
(6-3)
缓慢拉起∏型丝至水面时,接触角β趋近于零,上式中cosβ→1.
由于∏型丝不仅本身体积小,重量轻,而且在拉膜过程中,重力和浮力的方向总是相反而相互
抵消.如取∏型丝上边缘恰与水面平齐时为弹簧的平衡位置x0,重力对弹簧的伸长量的贡献
完全可以忽略不计.于是可得,当缓慢拉起∏型丝至水膜刚好破裂的瞬间,表面张力与弹簧的
弹力F的大小相等.即有
(6-4)
由(6-3)式得=2(L+d),由胡克定律知,代入上式整理得
= (6-5)
其中,k为焦利弹簧秤的倔强系数,可由实验测出;为拉膜过程中焦利弹簧的最大伸长量,可由
游标的位置计算出来;L为∏型丝的宽度,d为∏型丝的直径.通常,与L相比d是很小的,以致于可
以忽略不计,故式(6-5)可改写为
= (6-6)
由上式可知,此实验主要有两项内容:一是测量焦利弹簧的倔强系数k,二是通过拉膜过程测
出.
操作步骤
安装、调试仪器.安装好支架,装挂好弹簧、小镜,砝码盘及∏型丝框等,调节支架底座螺丝
钉使金属杆铅直,使小镜悬在玻璃管中央.
测定焦利氏秤的倔强系数k.首先,调节支架升降旋钮,使小镜上的水平线C,玻璃管上的水平
线D及D在小镜中的像Dˊ"三线重合",记下标尺读数x0;其次,将等量的小砝码(0.5g)逐个加
入砝码盘,每加一个砝码,应重新调节升降旋钮使"三线重合",再读出游标位置xi(一般取i≤9);
最后,再逐个减砝码,每减一个,仍需调节升降旋钮使"三线重合"后,再读出游标位置,与xi对应
的游标位置记为.用逐差法处理数据,求出倔强系数k及不确定度.
测定水的表面张力系数
用游标卡尺测出∏型丝框的宽度L,重复测量5次求平均.
将盛有适量水的玻璃烧杯置于支架的载物平台上,将∏型丝框用酒精洗净后挂在砝码盘下
的小钩上.
调节载物台和升降钮的高度,使∏型丝完全浸入水中.
在保证"三线重合"的条件下,一手调节升降钮,一手调节载物台的高度至∏型丝框上边缘刚
好与水面平齐时,记下支架上游标的位置x0.
在保证"三线重合"的条件下,继续缓慢调节升降旋钮和载物台,至∏型丝框刚好脱离液面为
止,记下游标位置x.
重复⑶～⑸步骤5次.
记下实验前,后的室温,取平均后作为测量过程中水的温度t.
计算水的表面张力系数及其不确定度.
注意事项
在实验过程中要始终保证小镜悬于玻管中央.
焦利氏弹簧是精密元件,应轻拿轻放,防止损坏.
测量∏型丝宽度时,应平放于纸上,防止变形.
拉膜时动作要平稳,轻缓,不能在振动不定的情况下测量.
测量时要始终保证"三线重合",并在丝框上边缘与水面平齐时读取.
清洁后的玻璃杯和∏型丝不可用手触摸.