液體表面張力系數(shù)的測定.ppt

拉脫法測量液體的表面張力系數(shù),石家莊鐵道大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心張變芳,2,主要內(nèi)容,一、基本知識點(diǎn)二、實(shí)驗(yàn)儀器三、實(shí)驗(yàn)原理四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容五、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的受力分析,3,1.液體表面指液體與氣體、液體與固體以及別種不相混合的液體之間的界面。,一、基本知識點(diǎn),2.表面張力液體的表面，由于表面層（其厚度等于分子的作用半徑，約10-8cm）內(nèi)分子的作用，存在著一定的張力,稱為表面張力。,4,3.表面張力產(chǎn)生的原因液體跟氣體接觸的表面存在一個薄層，叫做表面層，表面層里的分子比液體內(nèi)部稀疏，分子間的距離比液體內(nèi)部大一些，分子間的相互作用表現(xiàn)為引力。就象你要把彈簧拉開些，彈簧反而表現(xiàn)具有收縮的趨勢。,5,6,4.浸潤與不浸潤現(xiàn)象,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(kuò)張，形成薄膜附著在固體上，這種現(xiàn)象稱為浸潤；反之為不浸潤現(xiàn)象。,接觸角,7,8,5.表面張力系數(shù),想象在液面上劃一條直線，表面張力就表現(xiàn)為直線兩旁的液膜以一定的拉力相互作用。拉力f存在于表面層，方向恒與直線垂直，大小與直線的長度L成正比，即fL,式中稱為表面張力系數(shù)，它等于沿液面作用在分界線單位長度上的表面張力,其單位為Nm-1。它的大小與液體的成分、純度、濃度以及溫度有關(guān)。,9,1.底座及調(diào)節(jié)螺絲2.升降調(diào)節(jié)螺母3.培養(yǎng)皿4.金屬片狀圓環(huán)5.硅壓阻式力敏傳感器及金屬外殼6.數(shù)字電壓表,二、實(shí)驗(yàn)儀器,1.實(shí)驗(yàn)裝置,10,2.硅壓阻式力敏傳感器的結(jié)構(gòu)及原理,（1）傳感器傳感器是將感受的物理量、化學(xué)量等信息，按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于測量和傳輸?shù)男盘柕难b置。電信號易于處理，所大多數(shù)的傳感器是將物理量等信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出的。,11,（3）原理,UBF式中:F：外力的增量B：傳感器的靈敏度U：相應(yīng)的電壓改變量,靈敏度：傳感器輸出量增量與相應(yīng)輸入量增量之比，單位為mv/N。它表示每增加1N的力，力敏傳感器的電壓改變量為Bmv。,12,1.拉脫法測量一個已知周長的金屬圓環(huán)或金屬片從從待測液體表面脫離時所需的拉力，從而求得該液體表面張力系數(shù)的方法稱為拉脫法。所需的拉力是由液體表面張力、環(huán)的內(nèi)外徑及液體材質(zhì)、純度等因素決定。2.吊環(huán)法和吊片法比較（1）吊環(huán)法：使用金屬細(xì)線制成吊環(huán)時，在液膜被拉破的瞬間接觸角不接近于零，此時所測得的力是表面張力向下的分量，因而所得表面張力系數(shù)誤差較大，必須用修正公式對測量結(jié)果進(jìn)行修正。,三、實(shí)驗(yàn)原理,13,（2）吊片法：雖然液膜被拉破的瞬間接觸角趨近于零，但在具體測量時，由于吊片在拉脫過程中容易發(fā)生傾斜,實(shí)驗(yàn)時吊片的長度上限為34cm，而在測量力時，則希望力大一點(diǎn),有利于提高測量精確度。（3）片狀吊環(huán)：新設(shè)計有一定厚度的片狀吊環(huán)。經(jīng)過對不同直徑吊環(huán)的多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)調(diào)換直徑等于或略大于3.3cm時,在液膜被拉破的瞬間液體與金屬環(huán)之間的接觸角接近于零，此時接觸面總周長約為20cm左右。在保持接觸角為零時，能得到一個較大的待測力。,14,3.實(shí)驗(yàn)原理,使用片狀吊環(huán)，在液膜拉破前瞬間，考慮一級近似，認(rèn)為液體的表面張力為：f=f1+f2=(D1+D2)這里為表面張力系數(shù)，D1、D2分別為吊環(huán)的外徑和內(nèi)徑。,液膜拉破前瞬間的受力分析圖,片狀吊環(huán)在液膜拉破前瞬間有：F1=mg+f1+f2此時傳感器受到的拉力F1和輸出電壓U1成正比，有：U1=BF1,15,片狀吊環(huán)在液膜拉破后瞬間有：F2=mg同樣有U2=BF2片狀吊環(huán)在液膜拉破前后電壓的變化值可表示為：,液膜拉破后瞬間的受力分析圖,U1U2=U=BF=B（F1F2）=B(D1+D2)由上式可以得到液體的表面張力系數(shù)為:,這里U1液膜拉斷前瞬間電壓表的讀數(shù)U2液膜拉斷后瞬間電壓表的讀數(shù),16,1.實(shí)驗(yàn)方法（1）接通數(shù)字電壓表及直流電源，預(yù)熱15分鐘。保證測力方向和傳感器起彈簧片的平面垂直。（2）傳感器定標(biāo)：掛上砝碼盤將數(shù)字電壓表調(diào)零，等質(zhì)量的加砝碼，依次從電壓表讀出相應(yīng)的電壓輸出值，求出傳感器的靈敏度B。（3）將片狀吊環(huán)洗凈，掛在小鉤上，調(diào)節(jié)升降螺母，將其浸沒于液體中,反方向調(diào)節(jié)升降螺母，液面逐漸下降，這時，金屬環(huán)和液面形成一環(huán)形液膜，繼續(xù)使液面下降，測出液膜拉斷前瞬間電壓表的讀數(shù)U1和液膜拉斷后瞬間電壓表的讀數(shù)U2。（4）計算得到傳感器的靈敏度B和液體的表面張力系數(shù)。,四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,17,2.定標(biāo),向砝碼盤內(nèi)一次加不同質(zhì)量的砝碼，測出相應(yīng)拉力時傳感器的電壓輸出值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。靈敏度B表1力敏傳感器定標(biāo),18,自來水,19,3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果,（1）自來水表面張力系數(shù)的測定,20,（2）可樂表面張力系數(shù)的測定,21,=,=E=,（3）結(jié)果表示,22,對整個的實(shí)驗(yàn)過程，可以分為以下3個階段：,五、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的受力分析,吊環(huán)浸沒在水中，電壓表顯示負(fù)值,反方向旋轉(zhuǎn)螺母，電壓表讀數(shù)增加,繼續(xù)旋轉(zhuǎn)讀數(shù)增加到一個最大值,繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，讀數(shù)開始減小,減小到某一個值，液膜破裂,此時，觀察電壓表讀數(shù)，記下U1、U2,階段1,階段2,階段3,23,1.階段1的受力分析,吊環(huán)下沿浸沒在水中時，有,吊環(huán)下沿拉離水面，開始拉起液膜時，有,電壓表讀數(shù)達(dá)到最大值，此時有,這里，f為表面張力,24,達(dá)到最大值后，繼續(xù)反方向轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)螺母，可以發(fā)現(xiàn)，電壓表讀數(shù)開始減小，這主要是因?yàn)楦街谝耗ど系乃?