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

-10

m 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】

1．了解FB 737 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； 2．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。

3．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】

1．测量公式推导：

当逐渐拉提冂形铝片框时，ϕ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 0) ∙g +2f （1） 式中：m 为粘附在框上的液膜质量，m 0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 =2α∙(L +d ) （2） 比例系数α称表面张力系数，单位为N /m 。 由（1），（2）式得：

α=

F -(m +m 0) ∙g

（3）

2(L +d )

由于冂形铝片框很薄，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 ： α=

F -m 0∙g

（4）

2L

2．用FB 737新型焦利氏秤实验仪来测量F -m 0

∙g 值：

FB 737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。 如果测出冂形铝片框浸入液体时弹簧下端位置的读数S 1，然后测出冂形铝片框被缓缓提起，在液膜被拉脱瞬间弹簧下端位置的读数S 2，则有： F -m 0∙g =K ∙(S 2-S 1)

K ∙(S 2-S 1) 这样， α= （5）

2L

实验只需测出弹簧倔强系数K , S 1, S 2以及冂形铝片框的宽度L ，便可由（5）式求得所测液体的表面张力系数。

【实验仪器】

FB 737新型焦利氏秤实验仪、水槽及平台升降调节装置等

【实验内容及步骤】

1. FB 737新型焦利氏秤实验仪的定标：

（1）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；

（2）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。 （3）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 。

2．用拉脱法测定液体的表面张力系数：

（1）先将冂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 S 1 。

（3）在水槽⑧中加满水（或其它液体），调节平台升降旋钮⑩，将冂形铝片浸入液体中，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 S 2 。 （6）重复以上步骤进行多次测量，记下每次读数 S 1 和 S 2，分析S 2i -S 1i 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冂形铝片框宽度L ，重复5次，测量时要防止金属框变形。

【数据与结果】

1．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 ； 2．用拉脱法测量液体表面张力，记录弹簧的伸长量δS 。 （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x 0=_________10-3mm ，然后每次增加一个砝码（该标准砝码符合国家标准，相对误差为0. 005%） m =500. 00⨯10-6kg ，

表格3

(δx 1+δx 2+δx 3+δx 4) 500. 00⨯10-6kg 对应的测定仪的10-3m 读4

g ∙m

=____________(N /m ) 数, 则K ==

2．用拉脱法测定S 1, S 2，计算液体的表面张力系数：

表格4 水温（室温） ︒C ∆仪=0. 5⨯10-3m

δS =

2

1

(δS 1+δS 2+ +δS 5) 5

2

2

∆δs =S δs +∆仪 于是： δS =δS ±∆δS 3．多次测量冂形框的宽度：

l =±∆l 4．计算α及不确定度：

=

2

2

∙δS

2l

2

2

⎛∆⎫⎛∆⎫⎛∆⎫⎛∆⎫

a ⎪= k ⎪+ δs ⎪+ t ⎪

⎝a ⎭⎝K ⎭⎝δS ⎭⎝l ⎭

最后，把结果表示为：α=±∆α 5．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α的理论值，以此值作为近似真值，求测量结果的误差并与∆α比较。

【思考题】

1． 什么叫表面张力? 表面张力系数与哪些因素有关?

2． 在推导测量公式3时, 作了哪些近似? 式中各量的物理意义是什么? 3． 拉脱法的物理本质是什么?

4． 若考虑拉起液膜的重量, 实验结果应如何修正?

【附录1】 蒸馏水与空气为界的表面张力系数与温度的关系