表面張力系數(shù)的測定-2

實驗報告5-姓名：李鑫學(xué)號：PB06210294學(xué)院：信息學(xué)院日期：6月10日實驗?zāi)康模簩W(xué)習(xí)焦利氏秤獨特的設(shè)計原理，并用它測量液體的表面張力系數(shù)。實驗原理：當(dāng)液體和固體接觸時，若固體和液體分子間的吸引力大于液體分子間的吸引力，液體就會沿固體表面擴展，這種現(xiàn)象叫潤濕。若固體和液體分子間的吸引力小于液體分子間的吸引力，液體就不會在固體表面擴展，叫不潤濕。潤濕與否取決于液體、固體的性質(zhì)，如純水能完全潤濕干凈的玻璃，但不能潤濕石蠟；水銀不能潤濕玻璃，卻能潤濕干凈的銅、鐵等。潤濕性質(zhì)與液體中雜質(zhì)的含量、溫度以及固體表面的清潔度密切相關(guān)，實驗中要予以特別注意。液體表層內(nèi)分子力的宏觀表現(xiàn)，使液面具有收縮的趨勢。想象在液面上劃一條線，表面張力就表現(xiàn)為直線兩側(cè)的液體以一定的拉力相互作用。這種張力垂直于該直線且與線的長度成正比，比例系數(shù)稱為表面張力系數(shù)。把金屬絲AB彎成如圖5.2.1-1(a)所示的形狀，并將其懸掛在靈敏的測力計上，然后把它浸到液體中。當(dāng)緩緩提起測力計時，金屬絲就會拉出一層與液體相連的液膜，由于表面張力的作用，測力計的讀數(shù)逐漸達到一最大值F（超過此值，膜即破裂）。則F應(yīng)當(dāng)是金屬絲重力mg與薄膜拉引金屬絲的表面張力之和。由于液膜有兩個表面，若每個表面的力為F’，則由（1）顯然，表面張力F’是存在于液體表面上任何一條分界線兩側(cè)間的液體的相互作用拉力，其方向沿著液體表面，且垂直于該分界線。表面張力F’的大小與分界線的長度成正比。即（2）式中σ稱為表面張力系數(shù)，單位是N/m。表面張力系數(shù)與液體的性質(zhì)有關(guān)，密度小而易揮發(fā)的液體σ小，反之σ較大；表面張力系數(shù)還與雜質(zhì)和溫度有關(guān)，液體中摻入某些雜質(zhì)可以增加σ，而摻入另一些雜質(zhì)可能會減小σ；溫度升高，表面張力系數(shù)σ將降低。測定表面張力系數(shù)的關(guān)鍵是測量表面張力F’。用普通的彈簧是很難迅速測出液膜即將破裂時的F的，應(yīng)用焦利氏秤則克服了這一困難，可以方便地測量表面張力F’。實驗內(nèi)容：焦利氏秤由固定在底座上的秤框、可升降的金屬桿和錐形彈簧秤等部分組成，如圖5.2.1-2所示。在秤框上固定有下部可調(diào)節(jié)的載物平臺、作為平衡參考點用的玻璃管和作彈簧伸長量讀數(shù)用的游標(biāo)；升降桿位于秤框內(nèi)部，其上部有刻度，用以讀出高度，框頂端帶有螺旋，供固定錐形彈簧秤用，桿的上升和下降由位于秤框下端的升降鈕控制；錐形彈簧秤由錐形彈簧、帶小鏡子的金屬掛鉤及砝碼盤組成。帶鏡子的掛鉤從平衡指示玻璃管內(nèi)穿過，且不與玻璃管相碰。焦利氏秤和普通的彈簧秤有所不同：普通的彈簧秤是固定上端，通過下端移動的距離來稱衡，而焦利氏秤則是在測量過程中保持下端固定在某一位置，靠上端的位移大小來稱衡。其次，為了克服因彈簧自重引起彈性系數(shù)的變化，把彈簧做成錐形。由于焦利氏秤的特點，在使用中應(yīng)保持讓小鏡中的指示橫線、平衡指示玻璃管上的刻度線及其在小鏡中的像三者對齊，簡稱為三線對齊，作為彈簧下端的固定起算點。確定焦利氏秤上錐形彈簧的勁度系數(shù)把錐形彈簧，帶小鏡子的掛鉤和小砝碼盤依次安裝到秤框內(nèi)的金屬桿上。調(diào)節(jié)支架底座的底腳螺絲，使秤框豎直，小鏡子應(yīng)正好位于玻璃管中間，掛鉤上下運動時不致與管摩擦。逐次在砝碼盤內(nèi)放入砝碼，調(diào)節(jié)升降鈕，做到三線對齊。記錄升降桿的位置讀數(shù)。用逐差法和作圖法計算出彈簧的勁度系數(shù)。測量自來水的表面張力系數(shù)用鋼板尺測量金屬圈的直徑和金屬絲兩腳之間的距離s。取下砝碼，在砝碼盤下掛上已清洗過的金屬圈，仍保持三線對齊，記下升降桿讀數(shù)l0。把盛有自來水的燒杯放在焦利氏秤臺上，調(diào)節(jié)平臺的微調(diào)螺絲和升降鈕，使金屬圈浸入水面以下。緩慢地旋轉(zhuǎn)平臺微調(diào)螺絲和升降鈕，注意燒杯下降和金屬桿上升時，始終保持三線對齊。當(dāng)液膜剛要破裂時，記下金屬桿的讀數(shù)。測量3次，取平均，計算自來水的表面張力系數(shù)和不確定度。測量肥皂水的表面張力系數(shù)用金屬絲代替金屬圈，重新確定彈簧的起始位置l0，測量步驟同2。數(shù)據(jù)記錄處理:1、確定焦利氏秤上錐形彈簧的勁度系數(shù)km/g0.00.51.01.52.02.53.03.54.0x/cm5.545.926.376.737.207.558.008.408.84（1）作圖法：（2）由作圖法,計算斜率得k1=0.957g/cm=0.937N/m逐差法：()xi+5-xix6-x1x7-x2x8-x3x9-x4x10-x52.652.622.642.652.642.64由逐差法計算得出k2=0.947g/m=0.928N/m。兩種方法得到的k的平均值，就是最終的k值:k=0.9325N/m2、測量自來水的表面張力系數(shù)（1）金屬圈直徑的測量次數(shù)123直徑d/cm3.823.843.833.830.026（2）焦利氏秤的讀數(shù)次數(shù)1.401.381.431.400.025由k=0.9325N/m,=1.40cm,=3.52cm,得到3、測量肥皂水的表面張力系數(shù)（1）金屬絲長度的測量次數(shù)123長度l/cm4.734.754.724.740.006（2）焦利氏秤的讀數(shù)次數(shù)0.210.180.160.1960.021由k=0.9325N/m,=0.20cm,=3.69cm,得到不確定度分析：1、勁度系數(shù)k=0.9325N/m，=0.0062、，當(dāng)時，t=1.32,=0.002㎝,C=(1)自來水中：=0.025,則=0.033cm(2)肥皂水中：=0.021,則=0.028cm3、當(dāng)時，t=1.32,=0.01㎝,C=3(1)金屬圈直徑d：=0.026,則=0.033cm(2)金屬絲長度l：=0.006,則=0.001cm4、不確定度計算：誤差傳遞公式：（1）自來水的表面張力系數(shù)測定的不確定度：由k=0.9325N/m,=1.40cm,d=3.52cm=0.002（2）肥皂水的表面張力系數(shù)測定的不確定度：由k=0.9325N/m,=0.20cm=3.69cm=0.001最終結(jié)果：自來水的表面張力系數(shù)：P=0.68肥皂水的表面張力系數(shù)：P=0.68實驗思考題：1、焦利氏秤法測定液體的表面張力有什么優(yōu)點？答：焦利氏秤則是在測量過程中保持下端固定在某一位置，靠上端的位移大小來稱衡，因而可以迅速測出液膜即將破裂時的F，克服了用普通的彈簧是很難迅速測出液膜即將破裂時的F這一困難，可以方便地測量表面張力。焦利氏秤還把彈簧做成錐形，克服了因彈簧自重引起彈性系數(shù)的變化，實驗精度較高。2、有人利用潤濕現(xiàn)象設(shè)計了一個毛細(xì)管永動機（圖5.2.1-3）。A管中液面高于B管，由連通器原理，B管下端滴水，而滴水可以作功，水又回到槽內(nèi)，成為永動機。試分析其謬誤所在。答：該裝置的謬誤之處在于忽視了液體的表面張力的作用，A管中液面雖然高于B管，但由于水有表面張力，液面差所提供的動力不能夠使B管水滴順利地滴下，于是不可能制成這種“永動機”。實驗體會：在這樣一次實驗中，我們要注意的情況有這樣一些；首先就是物理實驗的數(shù)據(jù)處理方