实验五液体表面张力系数的测定(精)

实验五液体表面张力系数的测定实验目的：1、了解液体表面性质。2、熟悉用拉脱法测定表面张力系数的方法。3、熟悉用焦利弹簧秤测量微小力的方法。实验仪器：焦利弹簧秤，被测液体，游标卡尺，矩形金属框，烧杯，砝码及托盘等实验原理：1、面张力的由来假设液体表面附近分子的密度和内部一样，它们的间距大体上在势能曲线的最低点，即相互处在平衡的位置上。由图（1）可以看出，分子间的距离从平衡位置拉开时，分子间的吸引力先加大后减小，在这儿只涉及到吸引力加大的一段，如图（2）所示，设想内部某个分子欲向表面迁徙，它必须排开分子1、2，并克服两侧分子3、4和后面分子5对它的吸引力。用势能的概念来说明，就是它处在图（3）左边的势阱中，需要有大小为的激活能才能越过势垒，跑到表面去。然而表面某个分子B要想挤向内部，它只需排开分子和克服两侧分子的吸引力即可，后面没有分子拉它。所以它所处的势阱（图（3）中右边的那个）较浅，只要较小的激活能就可越过势垒，潜入液体内部。这样一来，由于表面分子向内扩散比内部分子向表面扩散来得容易，表面分子会变得稀疏了，其后果是它们之间的距离从平衡位置稍为拉开了一些，于是相互之间产生的吸引力加大了，这就是图(3)右边所示的情况。此时分子B需克服分子对它的吸引力比刚才大，从而它的势阱也变深了，直到变得和一样时，内外扩散达到平衡。所以在平衡状态下液体表面层内的分子略为稀疏，分子间距比平衡位置稍大，在它们之间存在切向的吸引力。这便是表面张力的由来。在刚才的讨论中未考虑液面外是否有气体。如果有，则分子B背后有气体的分子拉它，这显然会使上述差距减小，从而减小表面张力。事实也确实如此。如果液面外只是它的饱和蒸气，当温度逐步上升到临界点时，饱和蒸气的密度增到与液态的密度相等，液面两侧的不对称性消失，表面张力也就消失了。dE''21、''43、'dE''43、'dEdE2、实验设计我们设想在液面上作一长为的线段，则表面张力的作用就表现在线段两边的液体以一定的力相互作用，且作用力的方向与垂直，其大小与线段的长度成正比。即，式中为液体的表面张力系数，即作用于液面单位长度上的表面张力。采用拉脱法测定液体的表面张力系数是直接测定法，通常采用物体的弹性形变来量度力的大小。若将一个矩形细金属丝框浸入被测液体内，然后再慢慢地将它向上拉出液面，可看到金属丝带出一层液膜，如图（4）所示。设金属丝的直径为a，拉起液膜将破裂时的拉力为F，膜的高度为h，膜的宽度为b，因为拉出的液膜有前后两个表面，而且其中间有一层厚度近似为a的被测液体，且这部分液体有自身的重量mg=bahpg，故它所受到的重力为2f=2r（b+a）（由于金属丝的直径很小，所以这一项很小，一般忽略不计），所受表面张力为，故有F=2f+Mg或变形为（1）式中，为被测液体的密度，g为当地重力加速度，Mg为金属框所受重力与浮力之差。)(2)(abMgF从式(1)可以看出，只要实验测定出等物理量，由式(1)便可算出液体的表面张力系数。显然，b、a都比较容易测，只有是一个微小力，用一般的方法难以测准。故本实验的核心是测量这个微小力F，利用焦利弹簧秤测量。表面张力系数与液体的种类、纯度、温度和液体上方的气体成分有关。实验表明，液体的温度约高，的值约小；所含杂质越多，的值也越小。abMgF、、)(MgF3、仪器介绍如图（5）所示，焦利秤实际上是一个精细的弹簧秤，是测量微小力的仪器。在直立的金属套筒内设有可上下移动的金属杆，1的上端设有游标2，1的横梁上悬一根细弹簧8，8下端挂有圆柱形10并有水平刻线G,(也称指标杆G)，G的下方设一小钩，用来悬挂砝码盘或矩形金属丝框架。金属套筒的中下部附有刻有横线的玻璃套筒9和能够上下移动的平台6。金属套筒的下端设有旋钮4，转动4可使金属杆1上下移动，移动的距离由1上的刻度和游标2来确定。使用时，先照图（5）正确安装仪器，使带横线的小镜子10穿过玻璃套筒9的内部，并使镜面朝外．调节底座上的螺钉，使小镜子10沿竖直方向振动时不与玻璃套筒9发生摩擦．然后应旋转旋钮4，使小镜子10上的刻线与玻璃套筒9上的刻线以及9上刻线在小镜子里的像三者相互对齐，即所谓“三线对齐”。用这种方法保证弹簧的下端的位置是固定不变的，而弹簧的上端可以向上沿伸，需要确定弹簧的伸长时，可由1上的米尺和游标2来确定(即伸长前、后两次的读数之差值)。根据胡克定律，在弹性限度内，弹簧的伸长量与所加的外力成正比，即，式中是弹簧的劲度系数，对一特定的弹簧，值是确定的。如果我们将已知重量的砝码加在砝码盘中，测出弹簧的伸长量，即可算出弹簧的值，这一步骤称为焦利秤的校准。使用焦利秤测量微小力时，应先校准。利用校准后的焦利秤，就可测出弹簧的伸长量，从而求得作用于弹簧上的外力。弹簧的劲度系数越小，就越容易伸长，即弹簧越细，各螺旋环的半径越大，弹簧的圈数越多，值就越小，弹簧越容易伸长。同时弹簧材料的切变模量越小，弹簧越容易伸长。选用值小的弹簧，其测量微小力的灵敏度就高。所以本实验中，一定要在有关实验人员的指导下得知弹簧的最大负荷值，并且在使用、安装过程中一定要轻拿轻放，倍加爱护。实验内容与步骤：1、按照图（5）挂好弹簧、小镜子10及砝码盘，调节三角底座上的螺钉使小镜子10铅直(即小镜子10与玻璃套筒9的内壁不摩擦)。然后转动旋钮4，使“三线对齐”(观察时眼睛要与玻璃套筒上的水平线等高)。记录游标零线所指示的米尺上的读数。2、依次将实验室给定的砝码加在砝码盘内，逐次增加至0.5g，1.0g，…，3.5g(每加一次均需要转动旋钮4，重新调到“三线对齐”)，分别记录1柱上米尺的读数，并在表（1）中记录数据，然后依次减去0.5g砝码，步骤同上，用逐差法求弹簧的劲度，再算出劲度系数是的平均值及其不确定度。3、用酒精棉球仔细擦洗矩形金属丝框架，然后挂在砝码盘下的小钩上，转动旋钮4，重新使“三线对齐”，记录游标零线所指示的米尺读数。0S4、将盛有多半杯蒸镏水的烧杯置于平台上，转动平台下端的螺丝5，使矩形形金属丝框先浸入水中，然后缓慢地调节螺丝5使平台慢慢下降，直至矩形金属丝横臂高出水面，此时水的表面张力作用在矩形金属丝上，小镜子10上的弹簧受到向下的表面张力的作用也随之伸长，这样小镜子上的刻线G也随着下降，使“三线”不再对齐。眼睛对准玻璃套筒上的水平刻线D，用另一只手缓缓向上旋动旋钮4，使“三线”重新对齐，同时调节平台调节旋钮5使之再下降，直到矩形金属丝框架下的水膜刚要断裂止（或刚刚断裂）。先观察几次水膜在调节过程中不断被拉伸、最后破裂的现象。然后再把金属丝框架欲要脱离而尚未脱离水膜的一瞬时的米尺1上的读数记录下来。5、重复步骤3和4五次，测出弹簧的平均伸长及其不确定度，则6、记录实验前后的水温，以平均值作为水的温度。测量矩形金属丝横臂的长度b、a直径的数值，并计算。的值及其不确定度。1S0SS)()(0SSKMgF数据处理表（1）用逐差法求质量m(10-3kg)增重位置(10-2m)减重位置(10-2m)平均位置(10-2m)(10-2m)iiLL525iiLLV（）（）（）其中表（1）求（单位：10-2m）iiLL5)(55iiLLmgK)1(55)(nnViiiiLLLL2552)(5iiiiLLLLLLVii0SS0SS2)(0SSV（）（）其中（）0ss)1(2)(00nnVSSss2002)()()(0ssssVSS)(0ssb=（）m（）ma=()m()m()测量结果：（）（）%（）结果表示：（）（）%baTTC0)(2)(0baSSK2)(20)(25)(05abSSLLUabSSiiLLriirU注意事项1、实验时矩形金属丝框不能倾斜，否则，矩形框拉出水面时液膜将过早地破裂，给实验带来误差。2、矩形金属丝先用酒精灯烧红，再清洗后不允许手碰。3、焦利秤中使用的弹簧是易损精密器件，要轻拿轻放，切忌用力拉。思考题1、什么“三线对齐”？本实验中测量表面张力时缓慢地将矩形金属丝从水中拉起，该过程中需要时刻保证“三线对齐”，应如何操作?2、验中测量表面张力时缓缓地将矩形金属丝水平地拉出水面，如何避免倾斜？为什么要将矩形金属丝拉到将要脱离而又未脱离水膜的极限状态?3、测量金属丝框的宽时，应测它的内宽还是外宽？为什么？4、试用作图法求焦利弹簧秤的劲度系数，将结果与逐差法的结果进行比较。