液體表面張力系數(shù)測(cè)定講義

液體外表張力系數(shù)測(cè)定編者：黃彥【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私饬γ魝鞲衅鞯脑砗驼莆掌錁?biāo)定方法了解液體外表的性質(zhì),用拉脫法測(cè)定液體外表張力系數(shù).【實(shí)驗(yàn)儀器】DH4607型液體外表張力系數(shù)測(cè)定儀,其它配置為：硅壓阻力敏傳感器1只,測(cè)試玻璃皿1只,配件盒(吊環(huán)1只,外徑3.5cm,內(nèi)徑3.3cm,高0.8cm；整碼盤1只,0.5g整碼7只,銀子1個(gè),水準(zhǔn)泡1個(gè)),純潔水,NaOH溶液.圖1液體外表張力系數(shù)測(cè)定儀.力敏傳感器；2.吊環(huán)；3.玻璃器皿；4.升降螺絲；5.調(diào)節(jié)螺絲；6.底座；7.固定螺絲；8.數(shù)字電壓表；9.調(diào)零旋鈕【實(shí)驗(yàn)原理】.液體的外表張力液體與空氣接觸形成外表層,其厚度的數(shù)量級(jí)與分子力作用球半徑的數(shù)量級(jí)相同.由于外表層內(nèi)液體分子受力情況不同于液體內(nèi)部,使得液體外表具有一種不同于液體內(nèi)部的特殊性質(zhì).即液體內(nèi)部相鄰液體間的相互作用表現(xiàn)為壓力,而液體外表相鄰液面間的相互作用那么表現(xiàn)為張力.由于這種力的存在,引起彎曲液面內(nèi)外出現(xiàn)壓強(qiáng)差,以及常見的毛細(xì)現(xiàn)象等.許多現(xiàn)象說明,液體外表有自動(dòng)收縮的趨勢(shì).

這一事實(shí)可以通過以下實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察和分析.取一個(gè)鋼絲制成的矩形框架如圖2(a),矩形的一邊AB可以在框架上自由滑動(dòng).將框架浸入濃肥皂液后取出,框架上就會(huì)形成一個(gè)矩形肥皂膜ABCD,用手輕輕扶住AB兩端,即加以外力F外,液膜面積可保持不變.如果除去外力,那么見到液膜自動(dòng)收縮如圖2(b)o在圖2中,當(dāng)AB邊保持平衡時(shí),可以通過測(cè)定外力的大小來測(cè)出外表張力.實(shí)驗(yàn)事實(shí)說明,外表張力f的大小與液面的周界(或截線)長(zhǎng)度l成正比,即f=-l(1)(1)式中比例系數(shù)a稱為外表張力系數(shù)(單位：Nm-1),其數(shù)值等于液面上作用在每單位長(zhǎng)度截線(或周界)上的外表張力.注意在圖2的實(shí)驗(yàn)中,因液膜有兩個(gè)外表,所以鋼絲A、B受力情況從橫斷面看如圖2(c)所示,所以平衡時(shí)有F外=2f=2al=a2AB(2)外表張力系數(shù)的大小主要由物質(zhì)種類決定.一般說來,易揮發(fā)的液體值值小,口還跟與液體相鄰的物質(zhì)種類以及液體溫度有關(guān).溫度越高,豆值越小.表1列出了在不同溫度下某些液體(與空氣或水的交界面)的外表張力系數(shù).止匕外,外表張力還與液體所含雜質(zhì)有關(guān),有的雜質(zhì)能使液體外表張力系數(shù)減小.表1一些^^體(與空氣或水的交界面)的外表張力系數(shù)液體種類t/c￡(X10-3)/Nm-1水(與空氣)075.601074.221573.221873.002072.752571.973071.185067.9010058.80

水銀〔與空氣〕18490水銀〔與水〕20472酒精〔與空氣〕1823乙醛〔與空氣〕2016.5肥皂水〔與空氣〕2040.拉脫法測(cè)量外表張力系數(shù)的常用方法：拉脫法、毛細(xì)管升高法和液滴測(cè)重法等.此實(shí)驗(yàn)中采用了拉脫法.拉脫法是直接測(cè)定法,通常采用物體的彈性形變〔伸長(zhǎng)或扭轉(zhuǎn)〕來量度力的大小.用測(cè)量一個(gè)周長(zhǎng)的金屬圓環(huán)或金屬片,從待測(cè)液體外表脫離時(shí)所需要的力,求得該液體外表張力系數(shù)的方法稱為拉脫法.實(shí)驗(yàn)中采用金屬圓環(huán),將其底部水平浸入液面中,然后緩慢地使液面下降.當(dāng)金屬環(huán)底部高于液面時(shí),金屬環(huán)和液面間形成一環(huán)形液膜.金屬環(huán)受力情況如圖3所示,由于液面是緩慢勻速下降的,所以金屬環(huán)處于平衡狀態(tài).拉力F、液體的外表張力f、金屬環(huán)所受重力mg〔液膜很薄忽略不計(jì)〕有下面的關(guān)系：F=mgCos：〔3〕式中中是液面與金屬環(huán)的接觸角.金屬環(huán)臨脫離液面時(shí)有〔4〕〔5〕〔6〕圖3拉脫過程〔4〕〔5〕〔6〕圖3拉脫過程中金屬圓環(huán)受力情況金屬環(huán)脫離液面后F2=mg液體外表張力系數(shù)一.fF1-F2二D1D2二D1D2式中Di、D2分別是圓環(huán)的內(nèi)外直徑..硅壓阻式力敏傳感器〔SPPT〕用拉脫法測(cè)量液體外表張力,對(duì)測(cè)量力的儀器要求較高,由于用拉脫法測(cè)量液體外表的張力約為10-3~10-2N之間,因此需要有一種量程范圍較小,靈敏度高,且為穩(wěn)定性好的測(cè)量力的方法.近年來,新開展的硅壓阻式力敏傳感器正好能滿

足液體外表張力測(cè)量需要,它比傳統(tǒng)的焦利秤、扭秤等靈敏度高、穩(wěn)定性好,可數(shù)字顯示以便于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量記錄.硅壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的.在硅膜片特定方向上擴(kuò)散4個(gè)等值的半導(dǎo)體電阻,并連接成惠斯通電橋,作為力一一電變換器的敏感元件.當(dāng)膜片受到外界壓力作用,電橋失去平衡時(shí),假設(shè)對(duì)電橋加鼓勵(lì)電源〔包流和恒壓〕,便可得到與被測(cè)壓力成正比的輸出電壓,從而到達(dá)測(cè)量壓力的目的.硅壓阻式壓力傳感器由3個(gè)根本局部組成〔圖3.2〕:①基體,直接承受被測(cè)應(yīng)力；②波紋膜片,將被測(cè)應(yīng)力傳遞到芯片；③芯片,檢測(cè)被測(cè)應(yīng)力.芯片是在硅彈性膜片上,用半導(dǎo)體制造技術(shù)在確定品向制作相同的4個(gè)感壓電阻,將他們連成惠斯通電橋構(gòu)成了根本的壓力敏感元件.梁固定點(diǎn)傳感器芯片彈性梁掛鉤圖4硅壓阻式力敏傳感器的應(yīng)用硅壓阻式力敏傳感器由彈性梁〔彈簧片〕和貼在梁上的傳感器芯片組成,如圖4所示.傳感器芯片是由四個(gè)擴(kuò)散電阻集成的一個(gè)電橋.當(dāng)外界拉力作用于梁上時(shí),在拉力的作用下,梁產(chǎn)生彎曲,傳感器受力的作用,電橋相鄰橋臂的電阻值發(fā)生相反的變化梁固定點(diǎn)傳感器芯片彈性梁掛鉤圖4硅壓阻式力敏傳感器的應(yīng)用TOC\o"1-5"\h\zU0=kF⑺式中k為力敏傳感器的靈敏度,單位mVN-1.假設(shè)吊環(huán)拉脫前后傳感器輸出的電壓值分別為Ui、U2,根據(jù)式〔6〕式和⑺式,液體的外表張力系數(shù)(8)1_Ui-U2(8)k二DiD2一k二DiD2【實(shí)驗(yàn)步驟】.力敏傳感器的定標(biāo)〔1〕開機(jī)預(yù)熱15分鐘；〔2〕調(diào)節(jié)螺絲使底座水平,保證測(cè)力方向和傳感器彈性梁垂直；〔3〕將整碼盤掛在力敏傳感器梁的鉤上,整碼盤靜止后,調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕,使數(shù)字電壓表顯小為零；〔4〕依次往整碼盤里加上等質(zhì)量的不去碼〔m=0.5g〕,直到整碼總質(zhì)量為3g.同時(shí)將數(shù)字電壓表測(cè)量到的力敏傳感器的輸出電壓U記入表2中.注意每次加整碼后,使整碼盤靜止.(5)用最小二乘法擬合,計(jì)算力敏傳感器的靈敏度k和擬合的線形相關(guān)系數(shù)..環(huán)的測(cè)量與清潔用游標(biāo)卡尺測(cè)量金屬圓形吊環(huán)的內(nèi)外直徑Di、D2,記入表3中,并計(jì)算Di、D2的平均值..水外表張力系數(shù)的測(cè)量(1)往玻璃器皿中盛上蒸儲(chǔ)水,掛上吊環(huán),轉(zhuǎn)動(dòng)升降螺絲,使液面靠近吊環(huán).觀察吊環(huán)下沿和液面是否平行.如果不平行,調(diào)節(jié)吊環(huán)上的細(xì)絲使其與液面平行；(2)調(diào)節(jié)升降螺絲,使吊環(huán)下沿浸沒于液體中.反方向調(diào)節(jié)升降螺絲,液面緩慢勻速下降,吊環(huán)和液面問形成環(huán)形液膜.繼續(xù)使液面下降,測(cè)出液膜拉斷前瞬問電壓表的讀數(shù)Ui和液膜拉斷后瞬間電壓表的讀數(shù)U2,并記入表3;(3)根據(jù)公式(8),計(jì)算出水的外表張力系數(shù),并與標(biāo)準(zhǔn)值比擬.5.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將吊環(huán)清洗干凈,用清潔紙擦干,放入枯燥盒內(nèi).(注：其它液體的步驟類似水)【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和記錄】.傳感器靈敏度的測(cè)量表2傳感器靈敏度標(biāo)定整碼/g0.51.01.52.02.53.0電壓/mV經(jīng)最小二乘法擬合得到k=mV/N;擬合的線性相關(guān)系數(shù)r=.水的外表張力系數(shù)的測(cè)量金屬環(huán)外徑Di=cm,內(nèi)徑D2=cm,水的溫度：t=C表3水的外表張力系數(shù)測(cè)量編號(hào)U1/mVU2/mV△U/mVF/N?(X10-3)/-1Nm123451平均化a=Nm【考前須知】.在旋轉(zhuǎn)升降臺(tái)時(shí),盡量減小波動(dòng)；.手指等不宜接觸液體,以免污染液體影響張力；.力敏傳感器用力不宜大于0.098N,否那么容易造成其損壞；.做完實(shí)驗(yàn)必須將吊環(huán)清潔并用清潔紙擦干,覆蓋防塵紙.【思考題】.在拉脫法中,為什么一定要用拉斷前瞬間的張力值〔電壓值〕.春天到了,冰雪融化了,理想情況下,從冰溜子上滴下的水珠的大小是否一致,你能計(jì)算它們的直