液体表面张力系数的测定

拉脱法测量液体的表面张力系数石家庄铁道大学物理实验中心张变芳2主要内容一、基本知识点二、实验仪器三、实验原理四、实验内容五、实验现象的受力分析31.液体表面指液体与气体、液体与固体以及别种不相混合的液体之间的界面。一、基本知识点2.表面张力液体的表面，由于表面层（其厚度等于分子的作用半径，约10-8cm）内分子的作用，存在着一定的张力,称为表面张力。43.表面张力产生的原因液体跟气体接触的表面存在一个薄层，叫做表面层，表面层里的分子比液体内部稀疏，分子间的距离比液体内部大一些，分子间的相互作用表现为引力。就象你要把弹簧拉开些，弹簧反而表现具有收缩的趋势。564.浸润与不浸润现象当液体和固体接触时，若固体和液体分子间的吸引力大于液体分子间的吸引力，液体就会沿固体表面扩张，形成薄膜附着在固体上，这种现象称为浸润；反之为不浸润现象。浸润情形不浸润情形接触角浸润情形不浸润情形785.表面张力系数想象在液面上划一条直线，表面张力就表现为直线两旁的液膜以一定的拉力相互作用。拉力f存在于表面层，方向恒与直线垂直，大小与直线的长度L成正比，即f＝αL式中α称为表面张力系数，它等于沿液面作用在分界线单位长度上的表面张力,其单位为N·m-1。它的大小与液体的成分、纯度、浓度以及温度有关。91.底座及调节螺丝2.升降调节螺母3.培养皿4.金属片状圆环5.硅压阻式力敏传感器及金属外壳6.数字电压表二、实验仪器1.实验装置102.硅压阻式力敏传感器的结构及原理（1）传感器传感器是将感受的物理量、化学量等信息，按一定的规律转换成便于测量和传输的信号的装置。电信号易于处理，所大多数的传感器是将物理量等信号转换成电信号输出的。1.力臂固定点2.硅力敏传感芯片3.弹性梁4.挂钩（2）结构简图11（3）原理△U＝B·△F式中:△F：外力的增量B：传感器的灵敏度△U：相应的电压改变量灵敏度：传感器输出量增量与相应输入量增量之比，单位为mv/N。它表示每增加1N的力，力敏传感器的电压改变量为Bmv。121.拉脱法测量一个已知周长的金属圆环或金属片从从待测液体表面脱离时所需的拉力，从而求得该液体表面张力系数的方法称为拉脱法。所需的拉力是由液体表面张力、环的内外径及液体材质、纯度等因素决定。2.吊环法和吊片法比较（1）吊环法：使用金属细线制成吊环时，在液膜被拉破的瞬间接触角不接近于零，此时所测得的力是表面张力向下的分量，因而所得表面张力系数误差较大，必须用修正公式对测量结果进行修正。三、实验原理13（2）吊片法：虽然液膜被拉破的瞬间接触角趋近于零，但在具体测量时，由于吊片在拉脱过程中容易发生倾斜,实验时吊片的长度上限为3—4cm，而在测量力时，则希望力大一点,有利于提高测量精确度。（3）片状吊环：新设计有一定厚度的片状吊环。经过对不同直径吊环的多次试验，发现当调换直径等于或略大于3.3cm时,在液膜被拉破的瞬间液体与金属环之间的接触角接近于零，此时接触面总周长约为20cm左右。在保持接触角为零时，能得到一个较大的待测力。143.实验原理使用片状吊环，在液膜拉破前瞬间，考虑一级近似，认为液体的表面张力为：f=f1+f2=αл(D1+D2)这里α为表面张力系数，D1、D2分别为吊环的外径和内径。液膜拉破前瞬间的受力分析图片状吊环在液膜拉破前瞬间有：F1=mg+f1+f2此时传感器受到的拉力F1和输出电压U1成正比，有：U1=BF115片状吊环在液膜拉破后瞬间有：F2=mg同样有U2=BF2片状吊环在液膜拉破前后电压的变化值可表示为：液膜拉破后瞬间的受力分析图U1－U2=△U=B·△F=B（F1－F2）=Bαл(D1+D2)由上式可以得到液体的表面张力系数为:这里U1——液膜拉断前瞬间电压表的读数U2——液膜拉断后瞬间电压表的读数161.实验方法（1）接通数字电压表及直流电源，预热15分钟。保证测力方向和传感器起弹簧片的平面垂直。（2）传感器定标：挂上砝码盘将数字电压表调零，等质量的加砝码，依次从电压表读出相应的电压输出值，求出传感器的灵敏度B。（3）将片状吊环洗净，挂在小钩上，调节升降螺母，将其浸没于液体中,反方向调节升降螺母，液面逐渐下降，这时，金属环和液面形成一环形液膜，继续使液面下降，测出液膜拉断前瞬间电压表的读数U1和液膜拉断后瞬间电压表的读数U2。（4）计算得到传感器的灵敏度B和液体的表面张力系数α。四、实验内容172.定标向砝码盘内一次加不同质量的砝码，测出相应拉力时传感器的电压输出值，实验结果见表1。灵敏度B表1力敏传感器定标砝码质量/g1234567增加砝码/mV减少砝码/mV平均值/mV18自来水19次数U1/mVU2/mVΔ(U1-U2)/mVα/(×10-3N/m)12345内径D1/mm外经D2/mm3.实验结果（1）自来水表面张力系数的测定20次数U1/mVU2/mVΔ(U1-U2)/mVα/(×10-3N/m)12345内径D1/mm外经D2/mm（2）可乐表面张力系数的测定21551iiαα)n(nααUniiα112=α=Eα=（3）结果表示22对整个的实验过程，可以分为以下3个阶段：五、实验现象的受力分析吊环浸没在水中，电压表显示负值反方向旋转螺母，电压表读数增加继续旋转读数增加到一个最大值继续旋转，读数开始减小减小到某一个值，液膜破裂此时，观察电压表读数，记下U1、U2阶段1阶段2阶段3231.阶段1的受力分析吊环下沿浸没在水中时，有吊环下沿拉离水面，开始拉起液膜时，有电压表读数达到最大值，此时有这里，f为表面张力24达到最大值后，继续反方向转动调节螺母，可以发现，电压表读数开始减小，这主要是因为附着在液膜上的水在重力的作用下向下滑，所以拉力减小。2.阶段2的受力分析253.阶段3的受力分析在液膜拉破前瞬间有：F1=mg+f1+f2=mg+f在液膜拉破后瞬间有：F2=mg由此，可以得到液体的表面张力：液体的表面张力系数26