FB326型表面張力實驗講義(2011.10)

液體表面張力系數(shù)測定FB32型液體表面張力系數(shù)測定儀）實驗講義杭州精科儀器有限公司#用拉脫法測定液體表面張力系數(shù)液體表層厚度約10Tom內(nèi)的分子所處的條件與液體內(nèi)部不同，液體內(nèi)部每一分子被周圍其它分子所包圍，分子所受的作用力合力為零。由于液體表面上方接觸的氣體分子，其密度遠(yuǎn)小于液體分子密度，因此液面每一分子受到向外的引力比向內(nèi)的引力要小得多，也就是說所受的合力不為零，力的方向是垂直與液面并指向液體內(nèi)部，該力使液體表面收縮，直至達(dá)到動態(tài)平衡。因此，在宏觀上，液體具有盡量縮小其表面積的趨勢，液體表面好象一張拉緊了的橡皮膜。這種沿著液體表面的、收縮表面的力稱為表面張力。表面張力能說明液體的許多現(xiàn)象，例如潤濕現(xiàn)象、毛細(xì)管現(xiàn)象及泡沫的形成等。在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中常常要涉及到液體特有的性質(zhì)和現(xiàn)象。比如化工生產(chǎn)中液體的傳輸過程、藥物制備過程及生物工程研究領(lǐng)域中關(guān)于動、植物體內(nèi)液體的運動與平衡等問題。因此，了解液體表面性質(zhì)和現(xiàn)象，掌握測定液體表面張力系數(shù)的方法是具有重要實際意義的。測定液體表面張力系數(shù)的方法通常有：拉脫法、毛細(xì)管升高法和液滴測重法等。本實驗僅介紹拉脫法。拉脫法是一種直接測定法?！緦嶒?zāi)康摹苛私釬B326型液體的表面張力系數(shù)測定儀的基本結(jié)構(gòu)，掌握用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對測量儀進(jìn)行定標(biāo)的方法，計算該傳感器的靈敏度。2．觀察拉脫法測液體表面張力的物理過程和物理現(xiàn)象,并用物理學(xué)基本概念和定律進(jìn)行分析和研究,加深對物理規(guī)律的認(rèn)識。3．掌握用拉脫法測定純水的表面張力系數(shù)及用逐差法處理數(shù)據(jù)?！緦嶒炘怼咳绻麑⒁粷崈舻膱A筒形吊環(huán)浸入液體中，然后緩慢地提起吊環(huán)，圓筒形吊環(huán)將帶起一層液膜。使液面收縮的表面張力f沿液面的切線方向，角e稱為濕潤角（或接觸角）。當(dāng)繼續(xù)提起圓筒形吊環(huán)時，e角逐漸變小而接近為零，這時所拉出的液膜的里、外兩個表面的張力f均垂直向下，設(shè)拉起液膜破裂時的拉力為F，則有F二（m+m）g+2f（1）0式中，m為粘附在吊環(huán)上的液體的質(zhì)量，m為吊環(huán)質(zhì)量，因表面張力的大小與接觸面周0邊界長度成正比，則有2f二兀（D+D）（2）內(nèi)外比例系數(shù)a稱為表面張力系數(shù)，單位是N/m。a在數(shù)值上等于單位長度上的表面張力。式中l(wèi)為圓筒形吊環(huán)內(nèi)、外圓環(huán)的周長之和。

3）F-(m+m)?ga=3）兀?(D+D)內(nèi)外由于金屬膜很薄，被拉起的液膜也很薄，m很小可以忽略，于是公式簡化為:F-m?ga=0（4）兀?（D+D）內(nèi)外表面張力系數(shù)a與液體的種類、純度、溫度和它上方的氣體成分有關(guān)。實驗表明，液體的溫度越高，a值越小，所含雜質(zhì)越多，a值也越小。只要上述這些條件保持一定，a值就是一個常數(shù)。本實驗的核心部分是準(zhǔn)確測定F-m0?g，即圓筒形吊環(huán)所受到向下的表面張力，用FB326型液體的表面張力系數(shù)測定儀測定這個力。【實驗儀器】FB326型液體的表面張力系數(shù)測定儀主要組成有:底座；立柱；傳感器固定支架；壓阻力敏傳感器；數(shù)字式毫伏表；有機(jī)玻璃液體容器（連通器）；標(biāo)準(zhǔn)砝碼（砝碼盤）；圓筒形吊環(huán)?！緦嶒瀮?nèi)容】圖2FB326型液體表面張力系數(shù)測定儀實物照片1．開機(jī)預(yù)熱15分鐘。2．清洗有機(jī)玻璃器皿和吊環(huán)。3．在有機(jī)玻璃器皿內(nèi)放入被測液體。4．將砝碼盤掛在力敏傳感器的鉤上。5．若整機(jī)已預(yù)熱15分鐘以上，可對力敏傳感器定標(biāo)，在加砝碼前應(yīng)首先讀取電子秤的初讀數(shù)Vo（該讀數(shù)包括砝碼盤的重量），（注：對于加有調(diào)零裝置的儀器，可以通過調(diào)節(jié)

機(jī)箱后面的調(diào)零旋鈕，使初讀數(shù)為零)。然后每加一個500.00mg砝碼，讀取一個對應(yīng)數(shù)據(jù)(mV)，記錄到表格中，注意安放砝碼時動作要應(yīng)盡量輕巧。用逐差法求力敏傳感器的轉(zhuǎn)換系數(shù)K=(N/mV)。換吊環(huán)前應(yīng)先測定吊環(huán)的內(nèi)外直徑，然后掛上吊環(huán)，讀取一個對應(yīng)數(shù)據(jù)(mV)，在測定液體表面張力系數(shù)過程中，可觀察到液體產(chǎn)生的浮力與張力的情況與現(xiàn)象，逆時針轉(zhuǎn)動活塞調(diào)節(jié)旋鈕,使液體液面上升，當(dāng)環(huán)下沿接近液面時，仔細(xì)調(diào)節(jié)吊環(huán)的懸掛線，使吊環(huán)水平，然后把吊環(huán)部分浸入液體中，這時候，按下面板上的按鈕開關(guān)，儀器功能轉(zhuǎn)為峰值測量，接著緩慢地順時針轉(zhuǎn)動活塞調(diào)節(jié)旋鈕，這時液面逐漸往下降(相對而言即吊環(huán)往上提拉)，觀察環(huán)浸入液體中及從液體中拉起時的物理過程和現(xiàn)象。當(dāng)?shù)醐h(huán)拉斷液柱的一瞬間數(shù)字電壓表顯示拉力峰值V并自動保持該數(shù)據(jù)。拉斷后，釋放按鈕開關(guān)，電壓表恢復(fù)122f=Q-V人22f=Q-V人K(V-V)?K)外2fW表面張力系數(shù)：a==——1-表面張力系數(shù)：L兀?'D+D內(nèi)【數(shù)據(jù)與結(jié)果】1用逐差法求儀器的轉(zhuǎn)換系數(shù)K(N/mV):數(shù)據(jù)記錄表格先記錄砝碼盤等作為初讀數(shù)V=mV，然后每次增加一個砝碼0m=500.00mg，(該標(biāo)準(zhǔn)砝碼符合國家標(biāo)準(zhǔn)，相對誤差為0.005%)砝碼質(zhì)量10-6kg丿增重讀數(shù)7(mV)i減重讀數(shù)V〃(mV)iVi=子賦)等間距逐差：8V=Vii+4GmV)-Vi0.008V=V-V500.001401000.008V=V-V1500.002512000.008V=V-V2500.003623000.008V=V-V3500.004738V=—(5V+8V+8V+8V)8V為每500.00mg對應(yīng)的電子秤的mV讀數(shù),則41234

(N/mV)2．用拉脫法求拉力對應(yīng)的電子秤讀數(shù)：水溫(室溫)°C,電子秤初數(shù)V。(mV)測量次數(shù)拉脫時最大讀數(shù)V(mV)吊環(huán)讀數(shù)V(mV)表面張力對應(yīng)讀數(shù)V=V-V(mV)112122345平均值V二3．測量吊環(huán)的內(nèi)、外直徑：(單位：mm)測量次數(shù)12345平均值內(nèi)徑D外外徑D外4.計算a及不確定度:AKa=a±Aa5.從附錄中查出室溫下水的表面張力系數(shù)a的理論值，把實驗結(jié)果與此值比較求相對誤差，并與實驗值A(chǔ)a對比對實驗結(jié)果進(jìn)行分析。思考題】什么叫表面張力?表面張力系數(shù)與哪些因素有關(guān)?在推導(dǎo)測量公式3時,作了哪些近似?式中各量的物理意義是什么?拉脫法的物理本質(zhì)是什么?若考慮拉起液膜的重量,實驗結(jié)果應(yīng)如何修正?附錄一】FB326型液體的表面張力系數(shù)測定儀說明書一、儀器組成及技術(shù)指標(biāo)：1．硅壓阻力敏傳感器(1)受力量程：0~0.098N(2)靈敏度：約3.00V/N(用砝碼質(zhì)量作單位定標(biāo))(3)非線性誤差：＜0.2%(4)供電電壓：可調(diào)直流恒流源5~10V2．測量儀器(1)讀數(shù)顯示：200mV三位半數(shù)字電壓表(2)調(diào)零：手動多圈電位器(3)連接方式：5芯航空插頭3．力敏傳感器固定支架、底板及水平調(diào)節(jié)裝置吊環(huán)：外徑①二34.96mm，內(nèi)徑①二33.10mm,高H二8.50mm的鋁合金吊環(huán)。容積100mmx50mmx65mm有機(jī)玻璃連通器一套，活塞面積50mmx50mm砝碼盤及500mg砝碼7只，精度士0.025mg。外型尺寸支架及底盤尺寸：220x200x280(mm)儀器外形尺寸：240x270x85(mm)用本儀器測量水等液體的表面張力系數(shù)的誤差＜10%二、整機(jī)使用注意事項：吊環(huán)須嚴(yán)格處理干凈。可用NaOH溶液洗凈油污或雜質(zhì)后，用清潔水沖洗干凈，并用熱吹風(fēng)烘干。吊環(huán)水平須調(diào)節(jié)好，注意偏差1。,測量結(jié)果引入誤差為0.5%；偏差2。,則誤差1.6%儀器開機(jī)需預(yù)熱15分鐘。在調(diào)節(jié)液面升降活塞時，速度要緩慢,盡量減小液體的波動。工作環(huán)境應(yīng)避免風(fēng)吹，以免吊環(huán)擺動致使零點波動，造成所測系數(shù)不準(zhǔn)確。若液體為純凈水。在使用過程中防止灰塵和油污及其它雜質(zhì)污染。特別注意手指不要接觸被測液體。力敏傳感器使用時用力不宜大于0.098N。過大的拉力傳感器容易損壞。實驗結(jié)束須將吊環(huán)用清潔紙擦干，用清潔紙包好，放入干燥缸內(nèi)。三、使用步驟：清洗有機(jī)玻璃器皿和吊環(huán)。在有機(jī)玻璃器皿內(nèi)放入被測液體。開機(jī)預(yù)熱15分鐘。將砝碼盤的掛鉤掛在力敏傳感器的小孔中。

5．對力敏傳感器定標(biāo)，在加砝碼前應(yīng)首先對儀器調(diào)零，安放砝碼時應(yīng)盡量輕。6．換吊環(huán)前應(yīng)先測定吊環(huán)的內(nèi)外直徑，然后掛上吊環(huán)，在測定液體表面張力系數(shù)過程中，可觀察到液體產(chǎn)生的浮力與張力的情況與現(xiàn)象，逆時針轉(zhuǎn)動活塞調(diào)節(jié)旋鈕,液體液面上升，當(dāng)環(huán)下沿部分均浸入液體中時，按下峰值測量開關(guān)，接著順時針緩慢轉(zhuǎn)動活塞調(diào)節(jié)旋鈕，這時液面往下降(相對而言即吊環(huán)往上提拉)，觀察環(huán)浸入液體中及從液體中拉起時的物理過程和現(xiàn)象。特別應(yīng)注意吊環(huán)即拉斷液柱一瞬間數(shù)字電壓表顯示讀數(shù)值為V1，記錄該數(shù)值。接著釋放按鈕開關(guān)，這時，數(shù)字電壓表讀數(shù)為v2(吊環(huán)重量)，記下這兩個數(shù)值。7.也可以用長、短門形金屬片做實驗，為消除邊緣效應(yīng)對實驗結(jié)果的影響，可采用長金屬片的數(shù)據(jù)減去短金屬片的數(shù)據(jù)，這樣一來，剩下的數(shù)據(jù)就是金屬片中段的數(shù)據(jù)，可能會減少實驗誤差。實驗步驟自擬。四、實驗數(shù)據(jù)舉例：1．硅壓阻力敏傳感器定標(biāo)：力敏傳感器上分別加各種質(zhì)量砝碼，測出相應(yīng)的電壓輸出值，實驗結(jié)果見表1。用逐差法求儀器的轉(zhuǎn)換系數(shù)K(N/mV)數(shù)據(jù)記錄表格：先記錄砝碼盤等作為初讀數(shù)V二132mV,然后每次增加一個砝碼m二500.00mg，(該標(biāo)準(zhǔn)砝碼符合國家標(biāo)準(zhǔn)，相對誤差為0.005%)表1砝碼質(zhì)量m(mg)500.001000.001500.002000.002500.003000.003500.00輸出電壓V(mV)152170189207231251287輸出電壓V(mV)2038577599119155用逐差法計算:5V二—（（75-0）+（99-20）+（119-38）+（155-57））二20.8（mV）16電子秤的轉(zhuǎn)換系數(shù)：K=9.793電子秤的轉(zhuǎn)換系數(shù)：K=9.793x500.00x10-6208=2.354x10-4（N/mV）杭州地區(qū)重力加速度g二9.793m/S2。2．拉脫法求拉力對應(yīng)的電子秤讀數(shù)水溫(室溫)30°C,電子秤加吊環(huán)讀數(shù)V0二75.0(mV)

表2測量次數(shù)拉脫時最大讀數(shù)V(mV)吊環(huán)讀數(shù)V(mV)表面張力對應(yīng)讀數(shù)V=V-V(mV)12121132.875.057.82132.975.057.93132.975.057.94133.375.058.35133.575.058.5平均值V=58.1(mV)3．吊環(huán)的內(nèi)、外直徑：(單位：m)表3測量次數(shù)12345平均值內(nèi)徑D(x10-3m)外33.0033.0033.0233.0233.0033.01外徑D(x10-3m)外34.9434.9434.9434.9434.9434.94L=^(D+D)=3