實驗講義-液體表面張力

1、液體表面張力系數(shù)的測量表面現(xiàn)象廣泛見諸于鋼鐵生產(chǎn)，焊接，印刷，復(fù)合材料的制備等過程中。液體表面張力系數(shù)是表征液體性質(zhì)的一個重要參數(shù)。測量液體表面張力系數(shù)有多種方法，如最大泡壓法，毛細管法，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，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。而從能度看，任何內(nèi)部分子欲進入表面層就要克服這個吸引力而做功。顯見，表面層有著比液體內(nèi)部更大的勢能（表面能），且液體表面積

2、越大，表面能也越大。而任何體系總以勢能最小的狀態(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 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度成正比，即 （1）其中，比例系數(shù)稱為液體的表面張力系數(shù)，單位為 N/m。當液體表面與其蒸汽或空氣相接觸時，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，其較?。欢廴诮饘俚膭t很大。對于同種液體，溫度越高，其越小。當液體與固體相接觸時，不僅取決于液體自身的內(nèi)聚力，而且取決于液體分子

3、與其接觸的固體分子之間的吸引力（稱為附著力）。當這個附著力大于內(nèi)聚力時，液體就會沿固體表面擴展，這種現(xiàn)象稱為潤濕。當這個附著力小于內(nèi)聚力時，液體就不會在固體表面擴展，稱為不潤濕。潤濕與不潤濕取決于液體、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程度也密切相關(guān)，某些雜質(zhì)能使2 / 14增大，而表面活性物質(zhì)則能使減小。教學過程【預(yù)備問題】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. 為了減小測量誤差，實驗時應(yīng)該注意哪些問題？【實驗?zāi)康摹?、 掌握用砝碼對硅壓阻式力敏傳感器定標的

4、方法，并計算該傳感器的靈敏度2、 了解拉脫法測液體表面張力系數(shù)測定儀的結(jié)構(gòu)、測量原理和使用方法，并用它測量純水表面張力系數(shù)。3、 觀察拉脫法測量液體表面張力系數(shù)的物理過程和物理現(xiàn)象，并用物理學概念和定律進行分析研究，加深對物理規(guī)律的認識4、 掌握讀數(shù)顯微鏡的結(jié)構(gòu)、原理及使用方法，學會用毛細管測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，自行設(shè)計新的實驗內(nèi)容?！窘虒W重點，難點】重點：用拉脫法和毛細管法測量液體表面張力系數(shù)。難點：拉托瞬間的把握，毛細管液面要升到一定的高度。【實驗原理】 一、拉脫法測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

5、敏的測力計上，如圖 1（b）所示，然后把它浸到待測液體中。當緩緩提起測力計（或降低盛液體的器皿）時，金屬圓環(huán)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)逐漸達到一個最大值 F（當超過此值時，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。由于液膜有兩個表面，若每個表面的力為 （為圓形液膜的周長），則有 （2）所以 （3）圓形液膜的周長L與金屬圓環(huán)的平均周長 相當，若圓環(huán)的內(nèi)、外直徑分別為。則圓形液膜的周長 LL=（D1+D2）/2 （4） 將（4）式代入（3）式得 （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，其中芯片由四個硅擴散

6、電阻集成一個非平衡電橋。當外界壓力作用于金屬梁時，在壓力作用下，電橋失去平衡，此時將有電壓信號輸出，輸出電壓大小與所加外力成正比。即 （6）式中，F(xiàn) 為外力的大??；K 為硅壓阻式力敏傳感器的靈敏度，單位為 V/N；U 為傳感器輸出電壓的大小。二、毛細管升高法測液體的表面張力系數(shù)1一只兩端開口的均勻細管（稱為毛細管）插入液體，當液體與該管潤濕且接觸角小于90°時，液體會在管內(nèi)上升一定高度。而當接觸角大于 90°時，液體在管內(nèi)就會下降。這種現(xiàn)象被稱為毛細現(xiàn)象。 本實驗研究玻璃毛細管插入水中的情形。如圖 2 所示，為表面張力，其方向沿著凹球面的切線方向，大小為 ，其中 為毛細管的

7、內(nèi)孔半徑。設(shè)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 ，由圖 2 可知，由表面張力產(chǎn)生的、垂直向上提高液面的力為，若忽略上分液體的重量，則這個力與毛細管中高為的液柱重量平衡，即 （7）所以 （8）式中為液體的密度，為重力加速度。如果玻璃管壁和水都非常清凈，則，而（8）而式變?yōu)?（9）在推導(dǎo)公式（9）時，忽略了毛細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算公式，必須考慮這部分液體的重量。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 r 的球體積的一半之差，即，故忽略的液體重量為。當考慮這部分液體重量后，可得 （10）由上式可知，只要測出毛細管

8、的內(nèi)徑 d 和上升的液柱高 h，就可算出表面張力系數(shù)?！緦嶒瀮x器】1、表面張力系數(shù)測定儀，如圖 3 所示，包括硅擴散電阻非平衡電橋的電源和測電橋失去平衡時輸出電壓大小的數(shù)字電壓表、鐵架臺、微調(diào)升降臺、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、0.500g 砝碼七只（定標用），其它儀器包括鑷子（取砝碼、砝碼盤和掛吊環(huán)用），待測液體水，燒杯，溫度計等。 2、讀數(shù)顯微鏡，玻璃毛細管?！緦嶒瀮?nèi)容】 一、：拉脫法測水表面張力系數(shù) 1、實驗準備 （1）連線后接通主機電源，開機預(yù)熱。 （2）調(diào)節(jié)鐵架臺上的三個水平調(diào)節(jié)螺絲，使鐵架臺水平。 （3）清洗玻璃器皿 （4）預(yù)熱 15 分鐘后，

9、可對力敏傳感器定標。 2、硅壓阻力敏傳感器定標 （1）將砝碼盤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的砝碼，待穩(wěn)定后記下電壓表讀數(shù)。注意放砝碼時應(yīng)盡量輕。每次增加 0.500g砝碼，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)的測量 （1）將砝碼盤取下來換上吊環(huán)，使吊環(huán)平面成水平狀態(tài)。 （2）在玻璃器皿內(nèi)放入被測液體并安放在升降臺上。 （3）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，以順時針轉(zhuǎn)動升降臺大螺帽時液體液面上升，當?shù)醐h(huán)下沿部分均浸入液體中時，改為逆時針轉(zhuǎn)動該螺帽，這時液面往下降(或者說相對

10、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)即將拉斷液膜前一瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)值為U1，拉斷時瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)為U2。記下這兩個數(shù)值，這時.重復(fù)測量 6 次。 二、毛細管升高法測表面張力系數(shù) 1、將燒杯裝入適量純水后放在支架上，將洗凈烘干的毛細管插入液體中，使之鉛直，可見到液體將沿毛細管上升到一定高度。 2、調(diào)節(jié)望遠鏡焦距，使看清被測毛細管，在上下慢慢移動顯微鏡，使望遠鏡中十字叉絲的水平線與毛細管中液體凹面的下沿相切，記下該讀數(shù)，然后移動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。重復(fù)測量 5 次，將所得

11、數(shù)據(jù)記入表格中。 3、將毛細管取出平放在木盒上，對準顯微鏡筒調(diào)節(jié)焦距，直至觀察到清晰的毛細管圓孔圖像，測出內(nèi)徑 d，轉(zhuǎn)動毛細管，放在不同的方位測五次，將所得數(shù)據(jù)記入表格中。 【數(shù)據(jù)處理】1、 硅壓阻力敏傳感器定標表1 力敏傳感器定標次數(shù)砝碼重（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)r。2、 純水液體表面張力系數(shù)的測量表2 純水的表面張力系數(shù)測量(水的溫度 T = 25)次數(shù)U1 （mv）U2（mv）U（mv）f (N)1 2 345

12、6根據(jù)公式計算在室溫下純水的表面張力系數(shù)。然后與標準值相比較，求出相對不確定度并寫出結(jié)果表達式。二、毛細管法 1、毛細管法測液體的表面張力系數(shù)數(shù)據(jù)表（T= 25）2、與拉脫法測量的結(jié)果比較，分析誤差原因。次數(shù)毛細管液面下沿(mm)燒杯液面下沿(mm)液柱高度(mm)毛細管內(nèi)側(cè)下沿(mm)毛細管內(nèi)側(cè)上沿(mm)毛細管內(nèi)徑(mm)12345【思考題】 1、表面張力與哪些因素有關(guān)？實驗中應(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U1 值，而不是將數(shù)字電壓表顯示最大值作為U1？ 4、 簡要說明毛細管內(nèi)液面能升高的原因。 【注意事項】 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、儀器開機需預(yù)熱 15 分鐘； 3、在旋轉(zhuǎn)升降臺時，盡量使液體的波動要??； 4、實驗室不宜風力較大，以免吊環(huán)擺動致使零點波動，所測數(shù)據(jù)結(jié)果不正確； 5、若液體為純凈水，在使用過程中防止灰塵和油污及其