实验5用焦利氏秤测定液体的表面张力系数(70-72)2400

-70-基础物理实验（二）实验五用焦利氏秤测定液体的表面张力系数【实验目的】1．学习使用焦利秤，测量纯水和其它液体的表面张力系数；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。【实验仪器】焦利秤，金属框及钢丝，砝码，游标卡尺，温度计，蒸发皿，酒精灯，蒸馏水等。【实验原理】液体表面层内的分子，由于受到不对称分子力的作用，力图进入液体内部，使液体自由表面犹如一张拉紧的弹性薄膜，都有收缩的趋势，因此液体表面内存在张力，称为表面张力。假设在液面上任画一条长为l的线段，则张力f就表现为线段两侧液膜之间相互作用的拉力，力的方向与所画的线段垂直，其大小与线段长l成正比，即：lf（11-1）式(11-1)中,称为液体的表面张力系数，表示单位长度直线两侧液面之间的拉力，其单位在SI制中为1Nm，在CGS制中为1dyncm。表面张力系数与温度有关，温度升高，减小。实验证明与温度的关系近似地为线性关系，即0（11-2）式(11-2)中,0和分别为0℃和℃时的表面张力系数，为表面张力系数的温度系数。如果在金属框中间拉一条细金属丝ab，如图11-1所示，将框和细丝浸入待测液体中，然后再慢慢拉出液面，则金属细丝带出—层液膜。设液膜将被拉断时向上的拉力为F，膜宽(即金属丝的长度)为l，膜高为h，膜厚(即金属丝直径)为d。被拉起的液膜有两个表面，再考虑到这部分液体的重量之后，有gldhlWF2（11-3）式(11-3)中,W是金属框和金属丝所受的重力和浮力差，为液体密度，g为重力加速度。不难看出，l2为表面张力，gldh为液膜的重量。由式(11-3)可得图11-1lgldhWF2（11-4）【仪器介绍】焦利秤如图11-2所示，是弹簧秤的一种。它的主要部分包括圆筒立柱A和套在A中的毫米刻度圆柱B。在圆柱A上端固定游标V，B上挂弹簧D，转动旋钮E可以升降B和D，在D的下端挂有中间有刻度线的小镜G，小镜穿过中间也有刻度线的玻璃管M。小镜G的下端可悬挂砝码盘或金属框。调节底座旋钮F可使A垂直于水平面。P为载物平台，旋转螺旋H，可使平台P升降而不产生转动。普通弹簧秤的弹簧是上端固定，加实验十一用焦利秤测量液体的表面张力系数-71-负载后下端伸长，读下端伸长后的位置。焦利秤则相反，它控制弹簧下端的位置保持不变，即保持玻璃管M上的刻线、该线在小镜G中的像及G的刻线三线对齐，加负载后，旋转E使B上升，进行从游标V上读出弹簧的伸长值。V的精度为0.1mm。设小镜G下仅挂有砝码盘，旋转E使上述三线重合，游标V上读数为'y，则弹簧的伸长量为yy'，根据胡克定律得yykmg'（11-5）式(11-5)中,k为弹簧的倔强系数，单位为1Nm。焦利秤常附有几支k值不同的弹簧，有塔形的，也有柱形的。为了避免弹簧由于铅直悬挂因自重引起的弹性力与其总伸长值不成正比(即为了确保弹簧的线性关系)，实验时选用塔形弹簧，并根据所测力的最大值及测量精确度的要求而选用倔强系数恰当的弹簧。【实验内容】1．测量弹簧的倔强系数如图11-2所示，将选定的弹簧挂在焦利秤上，调节支架的底座旋钮，使A柱铅直，使弹簧下的小镜竖直穿过玻璃管M的中心，这时弹簧将与A柱平行。在砝码盘上加1.00g砝码，转动E，使玻璃管M上刻线、刻线的像及小镜G的刻线三线重合(以后称调三线重合为调G的零点)，用游标读出标尺值。再加0.50g砝码放在砝码盘中，调G的零点，用游标读出标尺值1y；以后按0.50g逐次增加砝码到砝码盘中，图11-2直到3.50g,逐次调G的零点，用游标读出标尺相应值iy。然后，按0.50g逐次减少砝码值到仍剩1.00g,读出对应的iy值。将砝码盘中砝码数相同时测得的iy值平均。求得0y、1y、……、iy。最后用逐差法求得弹簧的倔强系数k值。2．测量（WF）值用酒精灯把金属框烧—下，去掉油污，再用蒸馏水清洗后，挂在小镜G的挂钩上。在清洗干净的蒸发皿中盛适量的蒸馏水后置于平台P上。将金属框及细丝浸于水中，调G的零点。一只手慢慢调节E，使弹簧向上伸长，另一只手慢慢转动H，使蒸发皿下降，如图11-3(a)，在这过程中要求G始终停在零点处不动，直至水膜刚好被破裂为止，如图11-3(b)用游标读出标尺值6y。用吸水纸吸去金属框及金属丝上的水珠，转动E（H不动），使金属框缓缓下降，直到G回到零点，如图11-3（c）,用游标读出6y，显然66yykWF本过程要求反复测量五次。1．测量h值将焦利秤的弹簧取下，更换—根不发生形变的金属杆，旋转E，使G为零，读(a)(b)(c)出标尺7y。旋转H，使液面图11-3-72-基础物理实验（二）刚好与金属框上细丝接触，再旋转E，使B上升，直至水膜刚好被破坏为止，读出标尺值7y，则77yyh本过程也要重复测量五次。4．用游标卡尺测量金属丝的长度l及直径d、测量水的温度。5．计算水的表面张力系数及其不确定度。6．用公式(11-4)计算实验温度下水的表面张力系数并与实测值进行比较。对于水-107549dyncm.,-1o014dyncmC.应当注意的是水的表面若有少许污染，其表面张力系数将有明显变化，因此，玻璃皿、金属框清洗干净后，在实验过程中不许用手触摸玻璃皿的内侧和金属框，也不要用手触及水面；拉起液膜后，操作要非常谨慎，不要触动实验桌，避免弹簧形成明显的颤动。【思考题】1．为使你测出的表面张力系数能有三位有效数字，对所用弹簧的倔强系数应如何要求？2．如果用焦利秤分别测F和W，实验应该如何进行？3.为何用摸过头发的手触摸金属框后再测表面张力系数，结果就会偏小？4．实验中测量膜高误差较大，是否可将螺旋测微装置应用此处，请提出设计方案。5．如右图所示，将一玻璃板压入水银中，试分析玻璃所受的力，能否参照此图设计一个测量水银表面张力系数的装置？