焦利氏秤法测液体表面张力

1实验报告实验题目：焦利氏秤法测液体表面张力试验目的：在本实验中要着重学习焦利氏秤独特的设计原理，并用它测量液体的表面张力系数。了解表面张力的意义，表面张力描述了液体表层附近分子力的宏观表现。学会用逐差法,画图法求弹簧秤的劲度系数。实验原理:1.液体表层内分子力的宏观表现，使液面具有收缩的趋势。想象在液面上划一条线，表面张力就表现为直线两侧的液体以一定的拉力相互作用。这种张力垂直于该直线且与线的长度成正比，比例系数称为表面张力系数。把金属丝AB弯成如图5.2.1-1(a)所示的形状，并将其悬挂在灵敏的测力计上，然后把它浸到液体中。当缓缓提起测力计时，金属丝就会拉出一层与液体相连的液膜，由于表面张力的作用，测力计的读数逐渐达到一最大值F（超过此值，膜即破裂）。则F应当是金属丝重力mg与薄膜拉引金属丝的表面张力之和。由2于液膜有两个表面，若每个表面的力为F’，则由'2FmgF得2'mgFF（1）显然，表面张力F’是存在于液体表面上任何一条分界线两侧间的液体的相互作用拉力，其方向沿着液体表面，且垂直于该分界线。表面张力F’的大小与分界线的长度成正比。即lF'（2）式中σ称为表面张力系数，单位是N/m。表面张力系数与液体的性质有关，密度小而易挥发的液体σ小，反之σ较大；表面张力系数还与杂质和温度有关，液体中掺入某些杂质可以增加σ，而掺入另一些杂质可能会减小σ；温度升高，表面张力系数σ将降低。测定表面张力系数的关键是测量表面张力F’。用普通的弹簧是很难迅速测出液膜即将破裂时的F的，应用焦利氏秤则克服了这一困难，可以方便地测量表面张力F’。2.焦利氏秤由固定在底座上的秤框、可升降的金属杆和锥形弹簧秤等部分组成，如图5.2.1-2所示。在秤框上固定有下部可调节的载物平台、作为平衡参考点用的玻璃管和作弹簧伸长量读数用的游标；升降杆位于秤框内部，其上部有刻度，用以读出高度，框顶端带有螺旋，供固定锥形弹簧秤用，杆的上升和下降由位于秤框下端的升降钮控制；锥形弹簧秤由锥形弹簧、带小镜子的金属挂钩及砝码盘组成。带镜子的挂钩从平衡指示玻璃管内穿过，且不与玻璃管相碰。3焦利氏秤和普通的弹簧秤有所不同：普通的弹簧秤是固定上端，通过下端移动的距离来称衡，而焦利氏秤则是在测量过程中保持下端固定在某一位置，靠上端的位移大小来称衡。其次，为了克服因弹簧自重引起弹性系数的变化，把弹簧做成锥形。由于焦利氏秤的特点，在使用中应保持让小镜中的指示横线、平衡指示玻璃管上的刻度线及其在小镜中的像三者对齐，简称为三线对齐，作为弹簧下端的固定起算点。实验内容:1确定焦利氏秤上锥形弹簧的劲度系数把锥形弹簧，带小镜子的挂钩和小砝码盘依次安装到秤框内的金属杆上。调节支架底座的底脚螺丝，使秤框竖直，小镜子应正好位于玻璃管中间，挂钩上下运动时不致与管摩擦。（1）逐次在砝码盘内放入砝码，调节升降钮，做到三线对齐。记录升降杆的4位置读数。数据如表所示:m/s0.51.01.52.02.53.03.54.0x/cm3.063.554.044.454.945.405.876.34逐差法计算弹性系数:4516273841114414.943.065.403.555.874.046.344.4541.86jjbbxxxxxxxxcmmNkksmgbkmg/07.1,1086.110102,/10232解得：当用图形法求k:3.03.54.04.55.05.56.06.50.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5ym/gx/cm图线方程为：y=1.073x-2.8,所以劲度系数k=1.073N/m2.测量自来水的表面张力系数5（1）用钢板尺测量金属圈的直径cmdcmdcmd29.2,30.2,27.2321和金属丝两脚之间的距离cmScmScmS37.3,39.3,40.3321。（2）取下砝码，在砝码盘下挂上已清洗过的金属圈，仍保持三线对齐，记下升降杆读数l0=2.95cm。（3）把盛有自来水的烧杯放在焦利氏秤台上，调节平台的微调螺丝和升降钮，使金属圈浸入水面以下。缓慢地旋转平台微调螺丝和升降钮，注意烧杯下降和金属杆上升时，始终保持三线对齐。当液膜刚要破裂时，记下金属杆的读数。测量5次，取平均，计算自来水的表面张力系数和A类不确定度。95.396.3,00.4,96.3,92.3,93.35432lcmlcmlcmlcmlcmll2220:0.015,:2.29,:()0.031,10.68()1.320.0150.011,31()1.140.0310.016,51(2.95)2()()()0.074/AAAAAdcmdcmllcmPudcmulcmklduuludNmlldd标准差为平均值为标准差为时：解得：mNuA/001.0)(解得：同理：mNuPmNuPAA/005.0)(99.0/003.0)(95.03.肥皂水的表面张力系数用金属丝代替金属圈，重新确定弹簧的起始位置l0，测量步骤同2。金属丝宽度：cmScmScmScmScmS015.0)(89.337.3,39.3,40.33216示数位置：cml09.90五次测量值为：123459.33,9.32,9.34,9.35,9.32lcmlcmlcmlcmlcm平均值：cml33.9，标准差：cml013.0)(mNSllk/033.0)(210为：解得肥皂水的张力系数当P=0.68:cmSuA011.031015.032.1)(51013.014.1)(luA0.007cmuASSullluuAAAA001.0)()()()(2202类不确定度为：解得同理：P=0.95时：)(Au0.002cmP=0.99时：)(Au0.004cm思考题1．焦利氏秤法测定液体的表面张力有什么优点？答：（1）做成锥形克服因弹簧自重引起弹性系数的变化，减小了系统误差。（2）测定表面张力系数的关键是测量表面张力F’。用普通的弹簧是很难迅速测出液膜即将破裂时的F的，应用焦利氏秤则克服了这一困难，可以方便地测量表面张力F’。2．有人利用润湿现象设计了一个毛细管永动机（图5.2.1-3）。A管中液面高于B管，由连通器原理，B管下端滴水，滴水可以作功，水又回到槽内，成为永动机。试分析其谬误所在。7答：这是虹吸现象,不是永动机.原因:（1）连通器两侧液面所受大气压强相等来实现的,当连通器两侧液面不等高时大气压强是不相等的,那么在大气压强的作用下,液体将从一侧流向另一侧,直到两侧液面大气压强相等为止.（2）虹吸作用也并不完全是由大气压力所产生的，使液体向上升的力是液体表面的张力，（3）在发生虹吸现象时，由於管内往外流的液体比流入管子内的液体多，两边的重力不平衡，所以液体就会继续沿一个方向流动。