(整理)實(shí)驗(yàn)講義-液體表面張力-.9.

1、精品文檔液體表面張力系數(shù)的測(cè)量表面現(xiàn)象廣泛見(jiàn)諸于鋼鐵生產(chǎn)，焊接，印刷，復(fù)合材料的制備等 過(guò)程中。液體表面張力系數(shù)是表征液體性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)。測(cè)量液體表面張力系數(shù)有多種方法，如最大泡壓法，毛細(xì)管法，拉脫法。許多現(xiàn)象表明液體表面具有收縮到盡可能小的趨勢(shì)，這是液體分子間存在相互作用力的宏觀表現(xiàn)。 從微觀角度看，液體表面具有厚度 為分子吸引力有效半徑的表面層，處于表面層內(nèi)的分子比液體內(nèi)部的 分子少了一部分能與之吸引的分子，因此出現(xiàn)了一個(gè)指向液體內(nèi)部的 吸引力，使得這些分子具有向液體內(nèi)部收縮的趨勢(shì)。而從能度看，任 何內(nèi)部分子欲進(jìn)入表面層就要克服這個(gè)吸引力而做功。顯見(jiàn)，表面層有著比液體內(nèi)部更大的勢(shì)能（表

2、面能），且液體表面積越大，表面能 也越大。而任何體系總以勢(shì)能最小的狀態(tài)最為穩(wěn)定， 所以液體要處于 穩(wěn)定狀態(tài)，液面就必須縮小，以使其表面能盡可能小，宏觀上就表現(xiàn) 為液體表面層內(nèi)的表面張力。我們想象在液體表面畫(huà)一條直線，表面張力就表現(xiàn)為線段兩邊的 液面以一定的拉力口相互作用，而力的方向與線段垂直，力的大小 與該段直線的長(zhǎng)度L成正比，即f = aL（1）其中，比例系數(shù)"稱(chēng)為液體的表面張力系數(shù)，單位為N/m。當(dāng)液 體表面與其蒸汽或空氣相接觸時(shí)，表面張力僅與液體本身的性質(zhì)及其 溫度有關(guān)。一般情況下，密度小、容易蒸發(fā)的液體，其 口較小；而熔 融金屬的"則很大。對(duì)于同種液體，溫度越高，其

3、 口越小。當(dāng)液體與 固體相接觸時(shí)，不僅取決于液體自身的內(nèi)聚力，而且取決于液體分子 與其接觸的固體分子之間的吸引力（稱(chēng)為附著力）。當(dāng)這個(gè)附著力大 于內(nèi)聚力時(shí)，液體就會(huì)沿固體表面擴(kuò)展，這種現(xiàn)象稱(chēng)為潤(rùn)濕。當(dāng)這個(gè) 附著力小于內(nèi)聚力時(shí)，液體就不會(huì)在固體表面擴(kuò)展，稱(chēng)為不潤(rùn)濕。潤(rùn) 濕與不潤(rùn)濕取決于液體、固體的性質(zhì)，如純水能完全潤(rùn)濕干凈的玻璃， 但不能潤(rùn)濕石蠟；水銀不能潤(rùn)濕玻璃，卻能潤(rùn)濕干凈的銅、鐵等。潤(rùn)濕性質(zhì)與液體中雜質(zhì)的含量、溫度以及固體表面的清潔程度也密切相 關(guān)，某些雜質(zhì)能使a增大，而表面活性物質(zhì)則能使u減小。教學(xué)過(guò)程【預(yù)備問(wèn)題】1 .表面張力是如何形成的？表面張力系數(shù)與那些因素有關(guān)？2 .為了減小測(cè)量

4、誤差，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)該注意哪些問(wèn)題？【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、 掌握用祛碼對(duì)硅壓阻式力敏傳感器定標(biāo)的方法， 并計(jì)算該傳感 器的靈敏度2、 了解拉脫法測(cè)液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀的結(jié)構(gòu)、 測(cè)量原理和使 用方法，并用它測(cè)量純水表面張力系數(shù)。3、 觀察拉脫法測(cè)量液體表面張力系數(shù)的物理過(guò)程和物理現(xiàn)象，并 用物理學(xué)概念和定律進(jìn)行分析研究，加深對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)4、 掌握讀數(shù)顯微鏡的結(jié)構(gòu)、原理及使用方法，學(xué)會(huì)用毛細(xì)管測(cè)定 液體的表面張力系數(shù)。5、 利用現(xiàn)有的儀器，綜合應(yīng)用物理知識(shí)，自行設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容?！窘虒W(xué)重點(diǎn)，難點(diǎn)】重點(diǎn)：用拉脫法和毛細(xì)管法測(cè)量液體表面張力系數(shù)。難點(diǎn)：拉托瞬間的把握，毛細(xì)管液面要升到一定的高度?！緦?shí)驗(yàn)原理】

5、一、拉脫法測(cè)量液體的表面張力系數(shù)把金屬片彎成如圖1 （a）所示的圓環(huán)狀，并將該圓環(huán)吊掛在靈 敏的測(cè)力計(jì)上，如圖1 （b）所示，然后把它浸到待測(cè)液體中。當(dāng)緩 緩提起測(cè)力計(jì)（或降低盛液體的器皿）時(shí)，金屬圓環(huán)就會(huì)拉出一層 與液體相連的液膜，由于表面張力的作用，測(cè)力計(jì)的讀數(shù)逐漸達(dá)到 一個(gè)最大值F （當(dāng)超過(guò)此值時(shí)，液膜即破裂），則F應(yīng)是金屬圓環(huán) 重力mg與液膜拉引金屬圓環(huán)的表面張力之和。由于液膜有兩個(gè)表 面，若每個(gè)表面的力為f =a L （L為圓形液膜的周長(zhǎng)），則有F = mg+2sL所以(3)F - mg2L圖13圖 1(/>)圓形液膜的周長(zhǎng)L與金屬圓環(huán)的平均周長(zhǎng)L，相當(dāng)，若圓環(huán)的內(nèi)、外 直徑分

6、別為Di,D2。則圓形液膜的周長(zhǎng)L = L'彳（D1+D2） /2（4）_ F - mg將（4）式代入（3）式得s =p（D - D）（5）硅壓阻式力敏傳感器由彈性梁和貼在梁上的傳感器芯片組成，其中芯片由四個(gè)硅擴(kuò)散電阻集成一個(gè)非平衡電橋。當(dāng)外界壓力作用于金屬梁時(shí)，在壓力作用下，電橋失去平衡，此時(shí)將有電壓信號(hào)輸出，輸出電壓大小與所加外力成正比。即DU = KDF（6）式中，AF為外力的大?。籏為硅壓阻式力敏傳感器的靈敏度，單位為V/N; AU為傳感器輸出電壓的大小。二、毛細(xì)管升高法測(cè)液體的表面張力系數(shù)1 一只兩端開(kāi)口的均勻細(xì)管（稱(chēng)為毛細(xì)管）插入液體，當(dāng)液體與該管潤(rùn)濕且接觸角小于90

7、76;時(shí)，液體會(huì)在管內(nèi)上升一定高度。而當(dāng)接觸角大于90°時(shí)，液體在管內(nèi)就會(huì)下降。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為毛細(xì)現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)研究玻璃毛細(xì)管插入水中的情形。 如圖2所示，f為表面張力，其方向沿著凹球面的切線方向，大小為f =& is ,其中r為毛細(xì)管的內(nèi)孔半徑。設(shè)邛為接觸角（與液體和管壁材料的性質(zhì)有面的部關(guān)），凹球面的半徑為R ,由圖2可知cos =-,由表面張 R力產(chǎn)生的、垂直向上提高液面的力為fcoS ，若忽略h上分液體的重量，則這個(gè)力與毛細(xì)管中高為h的液柱重量平衡，即所以圖？2)rs 2 .2)s cos =干 r r ghrr gh R gh s =2cosj 2(8)式p中為液體的

8、密度，g為重力加速度。如果玻璃管壁和水都非常清凈，則j =0,R=r，而（8）而式變?yōu)開(kāi) rr ghr 一 2(9)在推導(dǎo)公式（9）時(shí)，忽略了毛細(xì)管中凹球面下端與上端之間液體的重量，為了得到更精確的計(jì)算公式，必須考慮這部分液體的重精品文檔量。該部分液體的體積約等于半徑為 r、高也為r的圓柱體體積和半徑為的球體積的一半之差，即pr3-2 3 133pr =3Pr,故忽略的液體重量為1p r3r go當(dāng)考慮這部分液體重量后，可得=-dr g4 9(10)由上式可知，只要測(cè)出毛細(xì)管的內(nèi)徑 d和上升的液柱高h(yuǎn),就 可算出表面張力系數(shù)（To【實(shí)驗(yàn)儀器】1、表面張力系數(shù)測(cè)定儀，如圖3所示，包括硅擴(kuò)散電阻非

9、平衡電橋 的電源和測(cè)電橋失去平衡時(shí)輸出電壓大小的數(shù)字電壓表、鐵架臺(tái)、微調(diào)升降臺(tái)、裝有力敏傳感器的固定桿、盛液體的玻璃器皿一套、 鋁合金圓形吊環(huán)一個(gè)、0.500g祛碼七只（定標(biāo)用），其它儀器包 括鐐子（取祛碼、祛碼盤(pán)和掛吊環(huán)用），待測(cè)液體水，燒杯，溫度 計(jì)等。2、讀數(shù)顯微鏡，玻璃毛細(xì)管。淞體表面死力與數(shù)測(cè)定上力地得感器升降趣節(jié)曼 j "I杵測(cè)廢佛底座調(diào)節(jié)量注J圖3 FD-NST-I液體裝面系數(shù)來(lái)力測(cè)定儀【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】一、：拉脫法測(cè)水表面張力系數(shù)1、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備(1)連線后接通主機(jī)電源，開(kāi)機(jī)預(yù)熱。(2)調(diào)節(jié)鐵架臺(tái)上的三個(gè)水平調(diào)節(jié)螺絲，使鐵架臺(tái)水平。(3)清洗玻璃器皿(4)預(yù)熱15分鐘后，可對(duì)力

10、敏傳感器定標(biāo)。2、硅壓阻力敏傳感器定標(biāo)(1)將祛碼盤(pán)掛在力敏傳感器的掛鉤上。(2)將數(shù)字電壓表調(diào)零。(3)依次加入0.500g的祛碼，待穩(wěn)定后記下電壓表讀數(shù)。注意 放祛碼時(shí)應(yīng)盡量輕。每次增加0.500g祛碼，待穩(wěn)定后記下 電壓表讀數(shù)Ui (i =1 , 2, 8)。3、水表面張力系數(shù)的測(cè)量(1)將祛碼盤(pán)取下來(lái)?yè)Q上吊環(huán)，使吊環(huán)平面成水平狀態(tài)。(2)在玻璃器皿內(nèi)放入被測(cè)液體并安放在升降臺(tái)上。精品文檔（ 3）在測(cè)定液體表面張力系數(shù)過(guò)程中，可觀察到液體產(chǎn)生的浮力與張力的情況與現(xiàn)象，以順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)升降臺(tái)大螺帽時(shí)液體液面上升， 當(dāng)?shù)醐h(huán)下沿部分均浸入液體中時(shí)，改為逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)該螺帽，這時(shí)液面往下降（或者說(shuō)相對(duì)吊

11、環(huán)往上提拉），觀察環(huán)浸入液體中及從液體中拉起時(shí)的物理過(guò)程和現(xiàn)象。特別應(yīng)注意吊環(huán)即將拉斷液膜前一瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)值為U1， 拉斷時(shí)瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)為U2。記下這兩個(gè)數(shù)值，這時(shí)DU=U1-U2.重復(fù)測(cè)量6次。二、毛細(xì)管升高法測(cè)表面張力系數(shù)1、將燒杯裝入適量純水后放在支架上，將洗凈烘干的毛細(xì)管插入液體中，使之鉛直，可見(jiàn)到液體將沿毛細(xì)管上升到一定高度。2、調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡焦距，使看清被測(cè)毛細(xì)管，在上下慢慢移動(dòng)顯微鏡，使望遠(yuǎn)鏡中十字叉絲的水平線與毛細(xì)管中液體凹面的下沿相切，記下該讀數(shù)，然后移動(dòng)顯微鏡使十字叉絲的水平線與玻璃器皿中液體凹面的下沿相切，再記下該讀數(shù)，兩讀數(shù)之差即為液柱高h(yuǎn)。重復(fù)測(cè)量5 次，將所

12、得數(shù)據(jù)記入表格中。3、將毛細(xì)管取出平放在木盒上，對(duì)準(zhǔn)顯微鏡筒調(diào)節(jié)焦距，直至觀察到清晰的毛細(xì)管圓孔圖像，測(cè)出內(nèi)徑 d,轉(zhuǎn)動(dòng)毛細(xì)管，放在不同的方位測(cè)五次，將所得數(shù)據(jù)記入表格中?！緮?shù)據(jù)處理】1、 硅壓阻力敏傳感器定標(biāo)表1力敏傳感器定標(biāo)次數(shù)祛碼重（g）傳感器增重讀數(shù)（mv）傳感器減重讀數(shù)（mv）平均（mv）1020.50031.00041.50052.00062.50073.00083.500用最小二乘法擬合得得儀器的靈敏度K,并求得線性相關(guān)系數(shù)r2、 純水液體表面張力系數(shù)的測(cè)量表2純水的表面張力系數(shù)測(cè)量 （水的溫度T = 25 C）次數(shù)U1 (mv)U2 (mv) U (mv)f (N)123456

13、根據(jù)公式計(jì)算在室溫下純水的表面張力系數(shù) 。然后與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，求出相對(duì)不確定度并寫(xiě)出結(jié)果表達(dá)式。二、毛細(xì)管法1、毛細(xì)管法測(cè)液體的表面張力系數(shù)數(shù)據(jù)表（T= 25 C）2、與拉脫法測(cè)量的結(jié)果比較，分析誤差原因。次數(shù)毛細(xì)管液燒杯液面液柱高度毛細(xì)管內(nèi)毛細(xì)管內(nèi)毛細(xì)管內(nèi)面卜沿下沿(mm)側(cè)下沿側(cè)上沿徑(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)12345【思考題】1、表面張力與哪些因素有關(guān)？實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意哪些因素才能減小誤差2、若吊環(huán)的下沿所在平面與液面不平行，測(cè)得的表面張力系數(shù)是大了還是小了？為什么？3、為什么液膜破裂前的一瞬間讀出 Ui值，而不是將數(shù)字電壓表顯精品文檔精品文檔示最大值作為U1？4、 簡(jiǎn)要說(shuō)明毛細(xì)管內(nèi)液面能升高的原因?！咀⒁馐马?xiàng)】1、吊環(huán)水平須調(diào)節(jié)好，注意偏差1o 結(jié)果引入誤差為0.5；偏差2o，則誤差 1.6%；2、儀器開(kāi)機(jī)需預(yù)熱15 分鐘；3、在旋轉(zhuǎn)升降臺(tái)時(shí)，盡量使液體的波動(dòng)要