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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m 10

10

-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737FB 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:

用拉脱法测定液体的表面张力系数实验

当逐渐拉提冂形铝片框时,?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 2

g )m m (F 0+?+= (1) 式中:m 为粘附在框上的液膜质量,0m 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:

)d L (2f 2+?α= (2) 比例系数α称表面张力系数,单位为m /N 。 由(1),(2)式得:

)

d L (2g

)m m (F 0+?+-=

α (3)

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d L >>,那么L d L ≈+,于是(3)式可以简化为 : L

2g

m F 0?-=

α (4)

2.用737FB 新型焦利氏秤实验仪来测量g m F 0

?-值:

737FB 新型焦利氏秤实验仪相当

用拉脱法测定液体的表面张力系数实验

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1S ,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2S ,则有: )S S (K g m F 120-?=?-

这样, L

2)S S (K 12-?=α (5)

实验只需测出弹簧倔强系数21S ,S ,K 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】

737FB 新型焦利氏秤实验仪、水槽及平台升降调节装置等

用拉脱法测定液体的表面张力系数实验

【实验内容及步骤】

1. 737FB 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g 500.0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g 500.0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1S 。

(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2S 。 (6)重复以上步骤进行多次测量,记下每次读数1S 和2S ,分析i 1i 2S S -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S δ。 (1)数据记录参考表

1.用逐差法求仪器弹簧的屈强系数)m /N (K : 数据记录表格

先记录砝码盘等作为初读数mm 10_________x 30-=,然后每次增加一个砝码kg 1000.500m 6-?=,

(该标准砝码符合国家标准,相对误差为%005.0) 表格3

用拉脱法测定液体的表面张力系数实验

用拉脱法测定液体的表面张力系数实验

()4321x x x x 4

x δ+δ+δ+δ=

δ kg 1000.500x 6-?δ为每对应的测定仪的m 103-读数,则)m /N __(__________x m

g K =δ?= 2.用拉脱法测定21S ,S ,计算液体的表面张力系数:

表格4 水温(室温) C ? m 105.03-?=?仪

用拉脱法测定液体的表面张力系数实验

()521S S S 5

1

S δ++δ+δ=

δ 2

仪2

s 2

s S ?+=?δδ 于是: S S S δ?±δ=δ 3.多次测量冂形框的宽度:

l l l ?±= 4.计算α及不确定度:

l

2S

K δ?=

α 2

t 2

s 2

k 2

a l S K a ??

?

???+??? ??δ?+??? ???=??? ???δ

最后,把结果表示为:α?±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

用拉脱法测定液体的表面张力系数实验