用拉脫法測液體表面張力系數(shù)

1、4.15 用拉脫法測液體表面張力系數(shù)液體具有盡量縮小其表面的趨勢，好象液體表面是一張拉緊了的橡皮膜一樣。把這種 沿著表面的、收縮液面的力稱為表面張力。表面張力的存在能說明物質(zhì)處于液態(tài)時所特有 的許多現(xiàn)象，比如泡沫的形成、潤濕和毛細現(xiàn)象等等。在工業(yè)技術(shù)上，如礦物的浮選技術(shù) 和液體輸送技術(shù)等方法都要對表面張力進行研究。測定液體表面張力的方法很多，常用的有拉脫法、毛細管法、最大氣泡壓力法等。本 實驗采用拉脫法的是一種直接測定方法?！緦嶒?zāi)康摹?、學(xué)習(xí)焦利秤測量微小力的原理和方法。2、了解液體表面的性質(zhì)，測定液體的表面張力系數(shù)?！緦嶒炘怼恳后w表面層（其厚度等于分子的作用半徑，約10-知）內(nèi)的分子所處

2、的環(huán)境跟液體內(nèi)部 的分子是不同的。在液體內(nèi)部，每個分子四周都被同類的其他分子所包圍，它所受到的周 圍分子的作用力的合力為零。由于液體上方的氣相層的分子數(shù)很少，表面層內(nèi)每一個分子 受到的向上的引力比向下的引力小，合力不為零，這個合力垂直于液面并指向液體內(nèi)部， 如圖4.15-1所示，所以分子有從液面擠入液體內(nèi)部的傾向，并使液體表面自然收縮，直到 處于動態(tài)平衡，即在同一時間內(nèi)脫離液面擠入液體內(nèi)部的分子數(shù)和因熱運動而到達液面的 分子數(shù)相等時為止。圖4.15-1液體表面層和內(nèi)部分子受力示意圖將一表面潔凈的矩形金屬絲框豎直地浸入水中，使其底邊保持水平，然后輕輕提起， 則其附近的液面將呈現(xiàn)出如圖4.15-2

3、所示的形狀，即絲框上掛有一層水膜。水膜的兩個表 面沿著切線方向有作用力/，稱為表面張力，0為接觸角，當(dāng)緩緩拉出金屬絲框時，接觸角 （P逐漸減小而趨向于零。這時表面張力f垂直向下，其大小與金屬絲框水平段的長度l成正比，故有比，故有f = 2Tl式中，比例系數(shù)T稱為表面張力系數(shù)，它在數(shù)值上等于單位長度上的表面張力。在國際單 位制中，T的單位為N-m-1。表面張力系數(shù)T與液體的種類、純度、溫度和它上方的氣 體成分有關(guān)。實驗表明，液體的溫度越高，T值越小；所含雜質(zhì)越多，T值也越小。因此， 在測定T值時，必須注明是在什么溫度下測定的，并且要十分注意被測液體的純度，測量 工具（金屬絲框、盛液器皿等）應(yīng)清潔

4、不沾污漬。圖4.15-2液體表面張力受力分析在金屬絲框緩慢拉出水面的過程中，金屬絲框下面將帶起一水膜，當(dāng)水膜剛被拉斷時， 諸力的平衡條件是：F = W + 2Tl + ldhp g（4.15-1）式中，F(xiàn)為彈簧向上的拉力，W為水膜被拉斷時金屬絲框的重力和所受浮力之差，l為金 屬絲框的長度，d為金屬絲的直徑，即水膜的厚度，h為水膜被拉斷時的高度，p為水的 密度，g為重力加速度，ldhp g為水膜的重量，由于金屬絲的直徑很小，所以這項值不大。 由于水膜有前后兩面，所以上式中的表面張力為2Tl。由（4.15-1）式中解得:F - WF - W - ldhp gT =2l(4.15-2)實驗中先測出焦

5、利秤的倔強系數(shù)奴然后用焦利秤測出和公式（4.15-2）中F- W相對應(yīng)的 彈簧伸長量.L，則有：(4.15-3)kML -ldhp g(4.15-3)T =2l（4.15-3）式即為實驗公式?！緦嶒瀮x器】焦利秤、金屬絲框、砝碼、玻璃皿、游標(biāo)卡尺。一、焦利秤簡介焦利秤的構(gòu)造如圖（4.15- 3）所示，它實 際上是一種用于測微小力的精細彈簧秤。一金 屬套管A垂直豎立在三角底座上，調(diào)節(jié)底座 上的螺絲，可使金屬套管A處于垂直狀態(tài)。 帶有毫米標(biāo)尺的圓柱B套在金屬套管內(nèi)。在 金屬套管A的上端固定有游標(biāo)C，圓柱B頂 端伸出的支臂上掛一錐形彈簧D。轉(zhuǎn)動旋鈕E 可使圓柱B上下移動，因而也就調(diào)節(jié)了彈簧D 的升降。

6、彈簧上升或下降的距離由主尺（圓柱 B）和游標(biāo)C來確定。立柱B毫米標(biāo)尺C游標(biāo)D彈簧 立柱升降旋鈕F砝碼盤G玻璃圓筒 平臺 M 平面反射鏡S平臺升降旋鈕圖（4.15-3）焦利秤G為固定在金屬套管A上一側(cè)刻有刻線 的玻璃圓筒，立柱B毫米標(biāo)尺C游標(biāo)D彈簧 立柱升降旋鈕F砝碼盤G玻璃圓筒 平臺 M 平面反射鏡S平臺升降旋鈕圖（4.15-3）焦利秤設(shè)在力F作用下彈簧伸長/，根據(jù)虎克 定律可知，在彈性限度內(nèi)，彈簧的伸長量4 l與所加的外力F成正比，即F = kM式中k是彈簧的倔強系數(shù)。對于一個特定的彈簧，k值是一定的。如果將已知重量的砝 碼加在砝碼盤中，測出彈簧的伸長量，由上式即可計算該彈簧的k值。這一步驟

7、稱為焦利 秤的校準(zhǔn)。焦利秤校準(zhǔn)后，只要測出彈簧的伸長量，就可計算出作用于彈簧上的外力F?！緦嶒瀮?nèi)容】1、測量彈簧的倔強系數(shù)k。將彈簧、砝碼盤掛在焦利秤上，調(diào)節(jié)三角底座上的螺釘，使小鏡M穿過玻璃圓筒G的 中心，這時彈簧將與金屬套管A平行。在秤盤上加1克砝碼，轉(zhuǎn)動旋鈕E使彈簧上升，直至“三線對齊”為止。這時讀出游 標(biāo)零線所指示的毫米標(biāo)尺B上的讀數(shù)L0。以后每加0.5克砝碼，調(diào)整一次旋鈕E使“三 線對齊”，再記下B上的讀數(shù)，直至加到3.5克。之后遞減砝碼，每減0.5克，調(diào)整一 次旋鈕E使“三線對齊”，記下B上的讀數(shù)，直至1克砝碼。將所記數(shù)據(jù)填入表格，用逐 差法處理數(shù)據(jù)，求出倔強系數(shù)k值。2、測量液體

8、的表面張力系數(shù)。將待測液體倒入洗凈干燥的燒杯中，置于平臺H上，并將金屬絲框懸掛于砝碼盤下端 的小鉤上，使金屬絲框完全浸入水中，調(diào)節(jié)旋鈕E使“三線對齊”。調(diào)節(jié)時要保證金屬絲 框始終處于水面以下。轉(zhuǎn)動平臺H下端的旋鈕S使平臺稍微下降一點，然后調(diào)節(jié)旋鈕E重新使“三線對齊”， 重復(fù)上述調(diào)節(jié)，當(dāng)金屬框剛好到達水面時，記下旋鈕S的位置。使平臺H繼續(xù)下降一 點，然后調(diào)節(jié)旋鈕E使“三線對齊”，不斷重復(fù)該步驟，金屬絲框?qū)⒙冻鲆好?，并?表面張力的作用下帶起一液膜，直到液膜被破壞時為止。記下液膜被破壞時毫米標(biāo)尺B上 的讀數(shù)L1 （用游標(biāo)讀到0.1mm）和旋鈕S的位置S2，如圖（4.15-4）所示。圖4.15-

9、4測量表面張力系數(shù)示意圖用吸水紙將金屬絲框上的小水珠輕輕地吸去，轉(zhuǎn)動升降旋鈕E使金屬絲框緩緩下降，直到“三線對齊”，讀出毫米標(biāo)尺B上的讀數(shù)L2，則公式(2)中的F - W = k(L1 - %)。將步驟2重復(fù)5次。3、用游標(biāo)卡尺測金屬絲框的長度l和直徑d各一次。4、求h值，測量過程中S1和S2之差即為水膜的高度，h = S1 S2。5、用溫度計測出實驗時的水溫。注意事項：1、焦利秤中使用的彈簧是精密易損元件，要輕拿輕放，切忌用力拉。2、實驗時動作必須仔細、緩慢。平臺一次只能下降一點，如果動作鹵莽，會使液膜 過早破裂，帶來較大誤差。3、每次實驗前要用氫氧化鈉溶液清洗玻璃杯和金屬絲框，然后用潔凈水

10、沖洗多次才 能使用。實驗結(jié)束后用吸水紙將金屬絲框表面擦干，以免銹蝕?！緮?shù)據(jù)處理】1、求彈簧的倔強系數(shù)k。表437測彈簧倔強系數(shù)k測量次數(shù)012345砝碼重量(g)1.001.502.002.503.003.50增重讀數(shù)L： (mm)減重讀數(shù)L (mm)平均值L- (mm)Al. = L.+3 L (mm)1 T ,A l = 3 M A l (mm) =oM (M -Al)2l 的 A 類不確定度分量a = Sj，=0 3(31)=(mm)1Al的B類不確定度分量b = 3 A儀，儀取0.1mm, UB=(mm)合成不確定度七 十 +u2 =(mm)計算倔強系數(shù)k =3mg(N m-1)U-U

11、k =氣號)2(N m-1)(N m-1)k = k 土 U-=(N m-1)k2、測定液體的表面張力系數(shù)T。表4-38測定表面張力系數(shù)測量次數(shù)12345L/mm)L2(mm)ML = L1 L2 (mm)平均值MLSiS2h邳廠S2平均值hML的A類不確定度分量 _ q_=(mm)U A - S ML 一1 = 0 5(5 - 1)合成不確定度U =，U+2合成不確定度U =，U+2ub =(mm)金屬絲框長度l=(mm) ，金屬絲直徑d=(mm)(mm)計算表面張力系數(shù)T=(N m-1)M的B類不確定度分量七=狀儀, A儀取0.1mm，UB=k ML - ldh p g2l由于水膜的重量非常小，在U-的計算中不考慮l、d和h的不確定度分量。U-=T：(MLU-)2+(=U )2 2lk2l ML(N m-1)測量結(jié)果T = T +