用拉脱法测定液体的表面张力系数实验

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实验二、用拉脱法测定液体的表面张力系数液体表层厚度约m1010内的分子所处的条件与液体内部不同,液体内部每一分子被周围其它分子所包围,分子所受的作用力合力为零。由于液体表面上方接触的气体分子,其密度远小于液体分子密度,因此液面每一分子受到向外的引力比向内的引力要小得多,也就是说所受的合力不为零,力的方向是垂直与液面并指向液体内部,该力使液体表面收缩,直至达到动态平衡。因此,在宏观上,液体具有尽量缩小其表面积的趋势,液体表面好象一张拉紧了的橡皮膜。这种沿着液体表面的、收缩表面的力称为表面张力。表面张力能说明液体的许多现象,例如润湿现象、毛细管现象及泡沫的形成等。在工业生产和科学研究中常常要涉及到液体特有的性质和现象。比如化工生产中液体的传输过程、药物制备过程及生物工程研究领域中关于动、植物体内液体的运动与平衡等问题。因此,了解液体表面性质和现象,掌握测定液体表面张力系数的方法是具有重要实际意义的。测定液体表面张力系数的方法通常有:拉脱法、毛细管升高法和液滴测重法等。本实验仅介绍拉脱法。拉脱法是一种直接测定法。【实验目的】1.了解737FB新型焦利氏秤实验仪的基本结构,掌握用标准砝码对测量仪进行定标的方法;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。3.掌握用拉脱法测定纯水的表面张力系数及用逐差法处理数据。【实验原理】1.测量公式推导:当逐渐拉提冂形铝片框时,角逐渐变小而接近为零,这时所拉出的液膜前后两个表面的表面张力f均垂直向下。设拉起液膜将破裂时的拉力为F,则有f2g)mm(F0(1)式中:m为粘附在框上的液膜质量,0m为线框质量。因表面张力的大小与接触面周界长度成正比,则有:)dL(2f2(2)比例系数称表面张力系数,单位为m/N。由(1),(2)式得:)dL(2g)mm(F0(3)由于冂形铝片框很薄,被拉起的水膜很薄,m较小,可以将其忽略,且一般有dL,那么LdL,于是(3)式可以简化为:L2gmF0(4)2.用737FB新型焦利氏秤实验仪来测量gmF0值:737FB新型焦利氏秤实验仪相当于一个精密的弹簧称,常用于测量微小的力,根据胡克定理制作而成。如果测出冂形铝片框浸入液体时弹簧下端位置的读数1S,然后测出冂形铝片框被缓缓提起,在液膜被拉脱瞬间弹簧下端位置的读数2S,则有:)SS(KgmF120这样,L2)SS(K12(5)实验只需测出弹簧倔强系数21S,S,K以及冂形铝片框的宽度L,便可由(5)式求得所测液体的表面张力系数。【实验仪器】737FB新型焦利氏秤实验仪、水槽及平台升降调节装置等【实验内容及步骤】1.737FB新型焦利氏秤实验仪的定标:(1)按图3安装好实验仪器并利用铅锤线调节仪器底座为水平状态;(2)在主尺顶部安装#1弹簧,再依次挂入带配重块的指针吊钩、砝码托盘,松开顶端挂钩锁紧螺钉,旋转顶端弹簧挂钩,使小指针正好轻轻靠在平面镜上(注意:力度要适当,若靠得太紧,可能会因摩擦太大带来附加的系统误差),以便准确读数。(3)调整小游标的高度使小游标平面镜的基准刻线大致对准指针,锁紧固定小游标的锁紧螺钉,然后调整视差,先让指针与镜子中的虚像重合,再细心调节小游标上的调节螺母,使得小游标平面镜上的基准刻线、指针以及指针在镜子中的虚像三线重合。通过主尺和游标尺读出读数(读数原理和方法与游标卡尺相同)。(4)然后在砝码托盘中放入g500.0砝码,再重复实验步骤(3),读出此时指针所在的位置值。逐个放入7个g500.0砝码,通过主尺和游标尺依次读出每个砝码放入后小指针的位置,再依次把这7个砝码取下托盘,记下对应的位置值。(5)根据每次放入或取下砝码时弹簧所受的重力和对应的拉伸值,用逐差法计算弹簧的倔强系数K。2.用拉脱法测定液体的表面张力系数:(1)先将冂形铝片用镊子夹住用碱溶液清洗,以除去油污,再用清水洗去碱溶液。然后将其挂于砝码盘下的小钩上。(2)调节游标位置,在“三线对齐”条件下,记录初读数1S。(3)在水槽⑧中加满水(或其它液体),调节平台升降旋钮⑩,将冂形铝片浸入液体中,先把滚花螺母③调节到靠近游标滑块的位置,以便水槽平台下降时,可以调节滚花螺母③使游标滑块下降,满足调节“三线对齐”的要求。(4)缓慢地调节平台升降旋钮⑩,使水槽缓慢地下降,门形铝片框逐渐被拉起(相对液体平面而言),同时调节滚花螺母③,使游标滑块指针跟踪下降,始终保持“三线对齐”。(5)直到门形金属框与液面拉脱(直到水膜破裂为止),立即停止操作,记下2S。(6)重复以上步骤进行多次测量,记下每次读数1S和2S,分析i1i2SS的离散性,取相近的5组数据作为测量结果。(7)用游标尺或米尺测量冂形铝片框宽度L,重复5次,测量时要防止金属框变形。【数据与结果】1.对实验仪进行定标,将测试数据记入表3,用逐差法求弹簧的倔强系数K;2.用拉脱法测量液体表面张力,记录弹簧的伸长量S。(1)数据记录参考表1.用逐差法求仪器弹簧的屈强系数)m/N(K:数据记录表格先记录砝码盘等作为初读数mm10_________x30,然后每次增加一个砝码kg1000.500m6,(该标准砝码符合国家标准,相对误差为%005.0)表格3砝码质量kg106增重读数)m10(x3i减重读数)m10(x3i2xxxiiim103等间距逐差:m103i4iixxx00.0041xxx00.50000.1000152xxx00.150000.2000263xxx00.250000.3000374xxx00.35004321xxxx41xkg1000.500x6为每对应的测定仪的m103读数,则)m/N__(__________xmgK2.用拉脱法测定21S,S,计算液体的表面张力系数:表格4水温(室温)Cm105.03仪测量值次数1S2S伸长量12SSS12345(2)数据处理方法:521SSS51S2仪2s2sS于是:SSS3.多次测量冂形框的宽度:lll4.计算及不确定度:l2SK2t2s2k2alSKa最后,把结果表示为:5.对实验结果作出分析和评判:查出室温下水的表面张力系数的理论值,以此值作为近似真值,求测量结果的误差并与比较。【思考题】1.什么叫表面张力?表面张力系数与哪些因素有关?2.在推导测量公式3时,作了哪些近似?式中各量的物理意义是什么?3.拉脱法的物理本质是什么?4.若考虑拉起液膜的重量,实验结果应如何修正?【附录1】蒸馏水与空气为界的表面张力系数与温度的关系温度)C(tt01020304050)m/N10(27.5647.4227.2757.1186.9569.791

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