用焦利氏秤测量液体的表面张力

物理学实验教学示范中心力热实验用焦利氏秤测量液体的表面张力系数制作人:翁存程物理学实验教学示范中心力热实验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．掌握逐差法处理数据的方法。［实验目的］物理学实验教学示范中心力热实验焦利氏秤、砝码几个及托盘、Π型金属丝、温度计、游标尺、金属镊子。［实验仪器］物理学实验教学示范中心力热实验物理学实验教学示范中心力热实验一金属套管B垂直竖立在三角底座上，调节底座上的螺丝R，可使金属套管处于垂直状态；带米尺刻度的金属杆A套在金属套管内，旋转金属套管下部的升降钮G，可使套管内的金属杆上升或下降；金属套管上附有游标P和平台H；一锥形弹簧C挂于横梁S上，下端挂一个两头带钩的小镜I。小镜穿过固定在支杆上的玻璃管D后挂一秤盘E；旋动旋钮F，平台H可上下移动。玻璃管和小镜上均刻有一刻线；旋动G可使杆上升。图1焦利氏秤构造物理学实验教学示范中心力热实验［实验原理］液体表面张力的介绍液体分子之间存在作用力，称为分子力，其有效作用半径约10-8cm。液体表面层(厚度等于分子的作用半径)内的分子所处的环境和液体内部分子不同。液体内部每个分子四周都被同类的其他分子所包围，它所受到的周围分子的合力为零。但处于液体表面层内的分子，由于液面上方为气相，分子数很少，因而表面层内每个分子受到向上的引力比向下的引力小，合力不为零，即液体表面处于张力状态。表面分子有从液面挤入液体内部的倾向，使液面自然收缩，直到处于动态平衡，即在同一时间内脱离液面挤入液体内部的分子数和因热运动而到达液面的分子数相等时为止。因而，在没有外力作用时液滴总是呈球形，即使其表面积缩到最小。物理学实验教学示范中心力热实验表面张力类似于固体内部的拉伸应力，只不过这种应力存在于极薄表面层内，而且不是由于弹性形变所引起的，是液体表面层内分子力作用的结果。实际上，表面张力就是液体表面层相邻部分之间的吸引力。表面张力的方向沿着液体表面的切线方向，大小可以用表面张力系数描述。物理学实验教学示范中心力热实验设想在液面上作一长为L的线段，则因张力的作用使线段两边液面以一定的拉力相互作用，且力的方向恒与线段垂直，大小与线段长度L成正比，即lf其中比例系数α称为液体表面张力系数，定义为作用在单位长度直线两边液体的表面张力，单位为N／m。液体表面张力系数的大小与液体的种类、纯度、温度和它上方的气体成分有关，温度越高，液体中所含杂质越多，则表面张力系数越小。物理学实验教学示范中心力热实验测定液体表面张力系数的常用方法有：拉脱法、液滴测重法和毛细管升高法等。本实验采用拉脱法测量水与空气界面的表面张力系数。物理学实验教学示范中心力热实验拉脱法测量表面张力系数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。拉脱法正是利用了这种现象实现液体表面张力的测量。物理学实验教学示范中心力热实验将一洁净Π型金属钩浸入水中，由于水能浸润此金属，当拉起金属钩时，在Π型金属丝框内就形成双面水膜。当缓慢拉起Π型钩至水膜刚好破裂的瞬间，表面张力与弹簧的弹力大小相等即：lxk2其中k为焦利弹簧秤的倔强系数，可由实验测得；△x为拉膜过程中焦利弹簧的最大伸长量，可由焦利氏秤游标的位置计算出来；l为Π型钩的宽度。物理学实验教学示范中心力热实验实验步骤1、在焦利氏秤上挂上弹簧及小镜，通过调节焦利氏秤支架底座旋钮使金属杆铅直即使金属杆与弹簧互相平行。2、如图1所示，依次在焦利氏秤上挂上弹簧﹑小镜、砝码盘，通过调节夹玻璃管的夹子使小镜可在玻璃管内自由伸缩即与玻璃管无摩擦，再通过松开焦利氏秤横梁上的旋钮转动弹簧使小镜镜面朝着人，最后旋紧此旋钮。3、测定弹簧的倔强系数K：a.调节焦利氏秤金属杆升降旋钮使玻璃管刻线、小镜镜面刻线及玻璃管刻线在小镜中的像三者在一水平面上，记下此时焦利氏秤上游标的读数即游标的初始读数。物理学实验教学示范中心力热实验物理学实验教学示范中心力热实验b.用镊子依次将1、2、3、5克的砝码放人秤盘内，而后转动焦利氏秤的升降钮，使三线在一水平面上，分别记下游标上读数。c.将上述数据填入下表中，求出弹簧的倔强系数K的平均值。砝码质量(g)初位置读数末位置读数(cm)K平均值N/cm1235物理学实验教学示范中心力热实验4、测定水的表面张力系数。b.如图3所示，用游标卡尺测出Π型钩内外宽度，重复测量5次。最后根据下式求得Π型钩宽度l。a.调节Π型钩，使其两脚互相平行且垂直于横边。如图2所示：图2图3l＝（l1＋l2）/2物理学实验教学示范中心力热实验物理学实验教学示范中心力热实验C.利用镊子夹着Π型钩在酒精灯上微烧以去除Π型钩表面杂质，而后将此Π型钩挂在砝码盘上。d.将盛水的烧杯放在平台上，调节金属杆升降钮，将Π型钩浸入水中且使Π型钩的横边与水面相切。e.调节夹玻璃管的夹子，使三线在一水平面内，记下此时游标的位置x0。物理学实验教学示范中心力热实验物理学实验教学示范中心力热实验f.在保证“三线在一水平面内”的条件下，一手调节升降钮，一手调节载物台的高度，直至Π型丝框刚好脱离液面为止停止调节，记下游标此时位置x。根据下式得到弹簧的最大伸长量△x。在这操作过程应缓慢调节升降旋钮和载物台且保证三线在一水平面内。g.重复d～f步骤3～5次，求平均值。△x＝x－x0物理学实验教学示范中心力热实验液体表面张力实验数据表格实验次数初位置读数x0cm末位置读数xcm平均值cm12345物理学实验教学示范中心力热实验h.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。i.整理实验仪器。j.计算水的表面张力系数及其不确定度。物理学实验教学示范中心力热实验［实验注意事项］1.在实验过程中要始终保证小镜悬于玻管中央。2.焦利氏弹簧是精密元件，应轻拿轻放，防止损坏。3.测量Π型丝宽度时，应平放于纸上，防止变形。4.拉膜时动作要平稳、轻缓，不能在振动不定的情况下测量。物理学实验教学示范中心力热实验•5.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。•6.清洁后的玻璃杯和酒精灯处理过的Π型钩不可用手触摸。物理学实验教学示范中心力热实验问题讨论•液体的表面张力是怎样形成的？•液体的表面张力与那些因素有关？•在拉膜时弹簧的初始位置如何确定？为什么？•在拉膜过程中为什么要始终保持三线在一水平内，为实现此条件，实验中应如何操作？•如果金属丝﹑玻璃杯和水不洁净，对测量结果将会带来什么影响?物理学实验教学示范中心力热实验•分析引起液体表面张力系数测量不确定度的因素，哪一因素的影响较大？•如果Π型金属丝不规则，或拉出水面时不水平，对测量结果有何影响？