液体表面张力

液体表面张力系数随杂质浓度变化

摘要：这篇文章主要根据物理实验进行验证了实验设想中杂质浓度是影响液体表面张力系数因素。通过对不同浓度液体表面张力的测量以及利用图像法对数据的处理，求出不同浓度班的液体表面张力系数，从而总结了杂质浓度与液体表面张力系数大致关系。它涉及了关于液体表面张力测量的实验原理以及李敏传感器的定标等等相关常用方法。

关键词：液体表面张力测量；液体表面张力测量原理；液体表面张力系数；张力系数影响因素。 The liquid surface tension coefficient studiens with the experiment of its miscellaneonus quality density

Abstract ：the use of force-sensitive sensors measure the liquid surface tension coefficient. describes themeasurement principle.discussed themeasurement time for the best reading time ，pull-off process ，the error analysis of experimental results ， given a reasonable explanation of theexperimental phenomena。 一、实验原理：

1、液体表面张力系数：

图1 液体表面张力示意图

液体的表面，由于表层内分子力的作用，存在着一定张力，称为表面张力，正是这种表面张力的存在使液体的表面犹如张紧的弹性模，有收缩的趋势。设想在液面上有一条直线，表面张力就表现为直线两旁的液面以一定的拉力f 相互作用。f 存在于表面层，方向恒与直线垂直，大小与直线的长度L 成正比，即：

f =αL

比例系数α称为一条的表面张力系数，单位N/m。它的大小与液体的成分、纯度以及温度有关（温度升高时，α值减小）。 2、拉脱法测量液体表面张力系数：

测量一个已知长度的金属片从待测液体表面脱离时需要的力，从而求得表面张力系数的实验方法称为拉脱法。

若金属片为环状时，考虑一级近似，可以认为脱离力（即：表面张力）为表面张力系数乘以脱离表面的周长。即：

f =α⋅π(D 1+D 2)

得表面张力系数：

α=

f

π(D 1+D 2)

其中，f 为拉脱力；D 1、D 2分别为圆环的外径和内径；а为液体表面张力系数。

3、力敏传感器测量拉力的原理：

硅压阻力敏传感器由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成，其中芯片由4个硅扩散电阻

集成一个非平衡电桥。当外界压力作用于金属梁时，电桥失去平衡，产生输出信号，输出电压与所加外力成线性关系，即：

U =K ⋅F

其中，K 为力敏传感器的灵敏度（mV/N），其大小与输入的工作电压有关；F 为所加的外力；U 为输出的电压。

1. 底座及调节螺丝 2.升降调节螺母 3.培养皿 4.金属片状圆环

5. 硅压阻式力敏传感器及金属外壳 6.数字电压表

图2 液体表面张力测量装置

对于本实验装置，工作原理如下： （1）液膜被拉断前：

F =mg +f cos θ

拉断前瞬间，θ≈0，cos θ≈1，即：F ≈mg +f ；此时，数字电压表示数为U 1，则：

F =m g +f =

U 1K

。

（2）液膜被拉断后（瞬间）：

F =mg

此时，数字电压表示数为U 2，则：F =m g =

（3）液膜拉断前后拉力变化：

U 2K

。

∆F =(m g +f ) -m g =f =

U 1-U 2

K

=

∆U K

又因为

f =α⋅π(D 1+D 2)

所以

α=

∆U K ⋅π(D 1+D 2)

注：实验表明，当金属环直径在3cm 附近、而且金属环和液体的接触角近似为0时，运用上述公式计算各种液体的表面张力系数的结果较为正确。 二、实验任务与要求：

1、力敏传感器的定标，求出灵敏度K ；

2、测量待测液体（纯水、乙醇、丙三醇）的表面张力系数；

3、研究表面张力系数随液体的浓度变化规律；（选做） 三、实验步骤：

1、力敏传感器的定标：

（1）接通电源，将仪器预热15分钟；

（2）在传感器横梁端的小钩上挂上砝码盘，调节调零旋钮（电子组合仪上的补偿电压旋钮）使数字电压表示数为零（注意：调零后此旋钮不能再动）；

（3）在砝码盘中分别加入等质量m i （每个砝码0.0005kg ）的砝码，记录对应质量下的电压表读书U i ，填入表1；

（4）用作图法（或其它双变量数据处理方法）做直线拟合，求出传感器灵敏度K ；

2、测量液体表面张力系数：

（1）用游标卡尺测量金属环的外径D1、内径D2；

（2）将金属环吊片在NaOH 溶液中浸泡20-30秒，然后用清水洗净（因为环表面状况与测量结果有很大关系）；

（3）将金属环吊片挂在传感器的小钩上，调节升降台将液体升至靠近金属环下沿，观察金属环下沿与待测液面是否平行。如果不平行，将金属环取下，调节环片上的细丝，使之与液面平行（偏差增加1度，测量误差将增加0.5%）；

（4）调节玻璃皿下的升降台，使环片下沿全部浸入待测液体中，然后反向匀速下降升降台，使金属环片与液面间形成一个环状液膜。继续下降液面，观察电压表读数，测量出液膜拉断前后瞬间电压值U1、U2记录在表格中；

（5）重复测量U1、U2各8次；

（6）将数据带入液体表面张力系数公式，求出待测液体在某温度下的表面张力系数，并对结果做出评价（亦可与标准值进行比较）； （7）整理仪器；

3、研究表面张力系数随液体的浓度变化规律（选做）：

四、数据记录：

表1 力敏传感器的定标

表2 金属环的外径D 1和内径D 2

（8）配置溶液的方案：实验室有体积分数为1%的溶液，将该溶液配制成0.030%-0.4%的溶液，分为12组。实验中提供的体积量取最小单位为0.2ml ，并且玻璃皿的容积为180ml, 所

以，设计如下方案：

实验组号

[**************]

溶液浓度水的体积变化溶液体积变化总溶液体积0.000009797.0097.000.0003003.00100.000.0004501.60101.600.0006001.60103.200.0007501.80105.000.0009001.60106.600.0015001.40108.000.00200014.00122.000.0026009.00131.000.0029206.00137.000.00358014.00151.000.00398010.00161.00

5 误差分析:

1.实验之前力敏传感器没有加热十五分钟； 2.环形金属片没有用氢氧化钠清洗； 3.在实验过程中液体表面产生了波动； 4.仪器自身存在的系统误差；

5.环形金属片下沿未与待测液面保持平行 6 结论:

在纯液体中加入杂质时，体系的比啊平面张力会发生相应的变化。根据实验，稀溶液的表面张力和

浓度的关系大致可分为：

○1 在液体中加入某些杂质会显著改变液体的表面张力。

2 在一定范围之内，随着浓度的增大液体表面张力系数减小，而超过了此范围液体表面张力系数○

随着浓度的增大而增大。

3 杂质为表面活性物质肥皂水时，当溶液很稀时，a 随浓度的增加而急剧下降，a 随后大致不随○

浓度而变（有时也可能会出现最低值）。

4 待测溶液的表面张力系数大大低于纯净水，增加待测水溶液浓度，其表面张力系数减小，但减○

小幅度不大。

实验时应注意以下几点：

1 环形金属片下沿与待测液面保持平行 ○

2 拉膜时动作要轻, 尽力避免弹簧的上、下振动，为使数据测量准确，拉膜过程中动作要协调 ○

3 由于杂质和油污可使水的表面张力显著减小，所以务必使蒸馏水、烧杯、环形金属片保持洁净。○

实验前要对装蒸馏水的烧杯、金属片进行清洁处理 4 清洁后的用具，切勿用手触摸，应用镊子取出或存放 ○

参看文献:

1.李明 等. 大学物理实验教程[M]. 浙江大学出版社, 2004.08(2): 55-59. 2.王云才. 大学物理实验教程. 北京科学出版社，2004 3.沈元华 陆中龙. 基础物理实验. 北京高等教育出版社，2003