T液體表面現(xiàn)象的研究05

1、實驗名稱 液體表面現(xiàn)象的研究一、 前言表面張力是液體表面層由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的，沿表面作用于任一界線上的張力。表面張力的存在使液體具有盡量縮小其表面的趨勢，好像液體表面是一張拉緊了的橡皮膜一樣。對液體表面張力系數(shù)的測定，可以為分析液體表面的分子分布及結(jié)構(gòu)提供幫助，可以解釋物質(zhì)處于液態(tài)時所特有的許多現(xiàn)象，比如泡沫的形成、濕潤和毛細(xì)現(xiàn)象等。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。比如工業(yè)上的礦物的浮選技術(shù)，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(yùn)動與平衡等問題，都要對表面張力進(jìn)行研究。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

2、系數(shù)的方法具有重要的實際意義。測定液體表面張力的方法有很多，常用的方法有拉脫法、毛細(xì)管升高法、最大氣泡壓力法等。本實驗采用拉脫法測定水的表面張力系數(shù)。二、 教學(xué)目標(biāo)1、 掌握焦利秤測量微小力的原理和方法。2、 了解液體表面的性質(zhì)，測定液體的表面張力系數(shù)。三、 教學(xué)重點(diǎn)1、 了解焦利氏秤測微小力的原理、結(jié)構(gòu)和方法。四、 教學(xué)難點(diǎn)1、 用拉脫法測量室溫下液體的表面張力系數(shù)。五、 實驗原理液體表面層（其厚度等于分子的作用半徑，約）內(nèi)的分子所處的環(huán)境跟液體內(nèi)部的分子是不同的。在液體內(nèi)部，每個分子四周都被同類的其他分子所包圍，它所受到的周圍分子的作用力的合力為零。由于液體上方的氣相層的分子數(shù)很少，表面層

3、內(nèi)每一個分子受到的向上的引力比向下的引力小，合力不為零，這個合力垂直于液面并指向液體內(nèi)部，如圖1所示，所以分子有從液面擠入液體內(nèi)部的傾向，并使液體表面自然收縮，直到處于動態(tài)平衡，即在同一時間內(nèi)脫離液面擠入液體內(nèi)部的分子數(shù)和因熱運(yùn)動圖1 液體表面層和內(nèi)部分子受力示意圖而到達(dá)液面的分子數(shù)相等時為止。拉脫法測定液體表面張力系數(shù)是基于液體與固體接觸時的表面現(xiàn)象提出的。由分子運(yùn)動論可知，當(dāng)液體分子和與其接觸的固體分子之間的吸引力大于液體分子的內(nèi)聚力時，就會產(chǎn)生液體浸潤固體的現(xiàn)象?，F(xiàn)將一表面潔凈型金屬絲框豎直地浸入水中，使其底邊保持水平，由于水能浸潤金屬，當(dāng)輕輕提起金屬絲時，在型金屬絲框內(nèi)就形成如圖2所示

4、的雙面水膜。水膜的兩個表面沿著切線方向有作用力f，稱為表面張力，為接觸角，當(dāng)緩緩拉出金屬絲框時，接觸角逐漸減小而趨向于零。這時表面張力f垂直向下，其大小與金屬絲框水平段的長度l成正比，故有（1）FWld液面fff圖2 液體表面張力受力分析式中，比例系數(shù)稱為表面張力系數(shù)，它在數(shù)值上等于單位長度上的表面張力。在國際單位制中，的單位為。表面張力系數(shù)與液體的性質(zhì)、純度、溫度和它上方的氣體成分有關(guān)。當(dāng)液面與其蒸汽相接觸時，表面張力僅與液體性質(zhì)及溫度有關(guān)。實驗表明，密度小，易揮發(fā)液體值小；溫度越高，值越??；所含雜質(zhì)越多，值也越小。因此，在測定值時，必須注明是在什么溫度下測定的，并且要十分注意被測液體的純度

5、，測量工具（金屬絲框、盛液器皿等）應(yīng)潔凈。在金屬絲框緩慢拉出水面的過程中，金屬絲框下面將帶起一水膜，當(dāng)水膜剛被拉斷時，諸力的平衡條件是： （2）式中，F(xiàn)為彈簧向上的拉力，W為水膜被拉斷時金屬絲框的重力和所受浮力之差，為型絲的長度，為型絲的直徑，即水膜的厚度，為水膜被拉斷時的高度，為水的密度，為重力加速度，為水膜的重量，由于金屬絲直徑很小，所以這項值不大。由于水膜有前后兩面，所以上式中的表面張力為2Tl。由（2）式解得：（3）實驗中先測出焦利秤的倔強(qiáng)系數(shù)，然后用焦利秤測出和公式（3）中相對應(yīng)的彈簧伸長量，則有：（4）六、 實驗儀器焦利秤，型金屬絲框，砝碼，玻璃杯，游標(biāo)卡尺。1、 焦利秤簡介焦利秤

6、的構(gòu)造如圖3所示，它實際上是一種用于測微小力的精細(xì)彈簧秤。一根金屬套管A垂直豎立在三角底座上，調(diào)節(jié)底座上的螺絲，可使金屬套管A處于垂直狀態(tài)。帶有毫米標(biāo)尺的圓柱B套在金屬套管內(nèi)。在金屬套管A的上端固定有游標(biāo)C，圓柱B頂端伸出的支臂上掛一錐形彈簧D。轉(zhuǎn)動旋鈕E可使圓柱B上下移動，因而也就調(diào)節(jié)了彈簧D的升降。彈簧上升或下降的距離由主尺（圓柱B）和游標(biāo)C來確定。A立柱、B毫米標(biāo)尺、C游標(biāo)、D彈簧E立柱升降旋鈕、F砝碼盤、G玻璃圓筒H平臺、M 平面反射鏡、S平臺升降旋鈕圖3 焦利秤G為固定在金屬套管A上一側(cè)刻有刻線的玻璃圓筒，M為掛在彈簧D下端的兩頭帶鉤的小平面鏡，鏡面上有一刻線。實驗時，使玻璃圓筒G上

7、的刻線、小平面鏡上的刻線、G上的刻線在小平面鏡中的象，三者始終重合，簡稱“三線對齊”。用這種方法可保證彈簧下端的位置是固定的，彈簧的伸長量可由主尺和游標(biāo)定出來（即伸長前后兩次讀數(shù)之差值），一般的彈簧秤都是彈簧秤上端固定，在下端加負(fù)載后向下伸長，而焦利秤與之相反，它是控制彈簧下端的位置保持一定，加負(fù)載后向上拉動彈簧確定伸長值。H為一平臺，轉(zhuǎn)動其下端的螺釘S時平臺H可升降但不轉(zhuǎn)動。F為秤盤。一般彈簧秤都是上端固定，在下端加負(fù)載后向下伸長，而焦利稱則與之相反，它是控制彈簧下端G的位置保持一定，加負(fù)載后向上拉動彈簧確定伸長值。設(shè)在力作用下彈簧伸長，根據(jù)虎克定律可知，在彈性限度內(nèi)，彈簧的伸長量與所加的外

8、力成正比，即式中是彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)。對于一個特定的彈簧，值是一定的。如果將已知重量的砝碼加入盤中，測出彈簧的伸長量，由上式即可計算該彈簧的值。這一步驟稱為焦利秤的校準(zhǔn)。焦利秤校準(zhǔn)后，只要測出彈簧的伸長量，就可計算出作用于彈簧上外力。七、 實驗內(nèi)容與步驟(一) 測量彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)k。1、 安裝調(diào)試儀器。安裝好支架，裝掛好彈簧小鏡、砝碼盤及型絲框等，調(diào)節(jié)支架底座螺絲釘使金屬桿鉛直，使小鏡M穿過玻璃圓筒G的中心，這時彈簧將與金屬套管A平行。2、 在秤盤上加砝碼，轉(zhuǎn)動旋鈕E使彈簧上升，直至“三線對齊”為止。這時讀出游標(biāo)零線所指示的毫米標(biāo)尺B上的讀數(shù)。以后每加砝碼，調(diào)整一次旋鈕E使“三線對齊”，記下B上的

9、讀數(shù)，直至加到后再逐次遞減砝碼，每減，調(diào)整一次旋鈕E使“三線對齊”，記下B上的讀數(shù)，直至砝碼。3、 用逐差法處理數(shù)據(jù)，求出倔強(qiáng)系數(shù)k及不確定度。(二) 測量液體的表面張力系數(shù)。1、 用游標(biāo)卡尺測出型絲框的長度和直徑各一次。2、 將待測液體倒入洗凈干燥的燒杯中，置于平臺H上，將型絲框洗凈后掛在砝碼盤下的小鉤上，使金屬絲框完全浸入液體中，調(diào)節(jié)旋鈕E使“三線對齊”。調(diào)節(jié)時要保證金屬絲框始終處于液面以下。3、 一只手慢慢旋轉(zhuǎn)S，使平臺上玻璃杯稍微下降，用一只手慢慢調(diào)節(jié)E，使彈簧向上伸長，整個過程要求G始終停在零點(diǎn)處不動“三線對齊”。重復(fù)上述調(diào)節(jié)，當(dāng)金屬框剛好到達(dá)液面時，記下旋鈕S的位置。4、 繼續(xù)轉(zhuǎn)動

10、S，使平臺H繼續(xù)下降，然后調(diào)節(jié)旋鈕E使“三線對齊”，不斷重復(fù)該步驟，金屬絲框?qū)⒙冻鲆好妫⒃诒砻鎻埩Φ淖饔孟聨鹨灰耗?，直到液膜被破壞時為止。記下液膜被破壞時毫米標(biāo)尺B上的讀數(shù)（用游標(biāo)讀到）和旋鈕S的位置，如圖4。S2hS1玻璃圓筒小鏡圖4 測量表面張力系數(shù)示意圖5、 用吸水紙將金屬絲框上的小水珠輕輕地吸去，轉(zhuǎn)動旋鈕E使金屬絲框緩緩下降，直到G回到零點(diǎn)“三線對齊”，讀出毫米標(biāo)尺B上的讀數(shù)，則公式(3)中的。6、 重復(fù)35步驟5次。7、 求值，測量過程中和之差即為水膜的高度，。8、 用溫度計測出實驗時的液體溫度。9、 計算液體的表面張力系數(shù)及其不確定度。八、 數(shù)據(jù)表格及數(shù)據(jù)處理1、 求彈簧的

11、倔強(qiáng)系數(shù) 表1 測定彈簧倔強(qiáng)系數(shù)測量次數(shù)012345砝碼重量(g)1.001.502.002.503.003.50增重讀數(shù)(mm)13.417.822.026.430.835.0減重讀數(shù)(mm)13.517.722.026.430.835.0平均值(mm)13.517.822.026.430.835.0(mm)12.9513.0513.00(mm)13.00的A類不確定度分量=0.029()的B類不確定度分量，儀取，UB=0.033()合成不確定度0.044()計算倔強(qiáng)系數(shù) 1.1285()， 0.0038()2、 測定液體的表面張力系數(shù)。表2 測定液體表面張力系數(shù)金屬絲框長度=33.42()

12、，金屬絲直徑=0.6()，水的密度測量次數(shù)12345()10.29.910.110.210.3()6.76.46.46.56.6()3.53.53.73.73.7平均值()3.62()18.218.518.618.418.3()21.722.222.121.921.8()3.53.73.53.53.5平均值()3.54的A類不確定度分量 =0.049()的B類不確定度分量，儀取，UB=0.033()合成不確定度0.068()液體表面張力系數(shù)0.05073() 由于水膜的重量非常小,在的計算中不考慮、和的不確定度分量。 0.00077()測量結(jié)果 30時純水表面張力系數(shù)為，本實驗所用自來水不純導(dǎo)

13、致數(shù)據(jù)差別較大。九、 指導(dǎo)要點(diǎn)及注意事項1、 在實驗過程中要始終保證小鏡懸于玻璃管中央，鏡子和玻璃管不能相接觸，否則會造成較大誤差。2、 焦利秤中使用的彈簧是精密易損元件，要輕拿輕放，切忌用力拉。3、 測量型絲寬度時，應(yīng)平放于紙上，防止變形。4、 實驗過程中要避免液體被污染。若液體中混入其他雜質(zhì)，其表面張力系數(shù)將有明顯改變。5、 測量時要始終保證“三線對齊”，并在絲框上邊緣與水面平齊時讀取。6、 不能在彈簧振動不定的情況下測量，拉膜時動作要平穩(wěn)、輕緩，防止儀器受震動，尤其液膜即將破裂時，更要注意。平臺一次只能下降一點(diǎn)，如果動作鹵莽，會使液膜過早破裂，帶來較大誤差。7、 實驗前要清洗玻璃杯和金屬

14、絲框才能使用。實驗結(jié)束后用吸水紙將金屬絲框表面擦干，以免銹蝕。清洗后的玻璃杯和型絲不可用手觸摸。十、 實驗管理和成績記載1、 實驗管理(1) 預(yù)習(xí)檢查：檢查學(xué)生的學(xué)生證，檢查學(xué)生預(yù)習(xí)報告并簽字，隨機(jī)提問（約占實驗學(xué)生的四分之一）檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況。無預(yù)習(xí)報告或預(yù)習(xí)檢查不合格的學(xué)生取消當(dāng)堂課實驗資格，重新預(yù)約該實驗。(2) 操作管理：巡回檢查學(xué)生的實驗操作和實驗數(shù)據(jù)記錄情況，及時發(fā)現(xiàn)、指導(dǎo)、解決學(xué)生在實驗操作中遇到的問題，檢查完成實驗學(xué)生的數(shù)據(jù)記錄并簽字；對在1小時左右完成實驗的學(xué)生進(jìn)行認(rèn)真的檢查并要求其完成實驗的選做內(nèi)容。(3) 實驗報告批改：要求學(xué)生認(rèn)真作好實驗報告，并于實驗后一周內(nèi)交給任課

15、教師 (地點(diǎn)：主教學(xué)樓1樓走廊信箱) ；及時批改學(xué)生的實驗報告，作好成績記載并及時發(fā)還給學(xué)生。2、 成績記載平時成績：實驗操作60%；實驗報告40%；及時在實驗預(yù)約單上記載平時成績。綜合成績：平時成績60%；考試成績40%。十一、 實驗思考題1、 影響液體表面張力系數(shù)的因素有哪些？表面張力系數(shù)與液體的性質(zhì)、純度、溫度和它上方的氣體成分有關(guān)。當(dāng)液面與其蒸汽相接觸時，表面張力僅與液體性質(zhì)及溫度有關(guān)。實驗表明，密度小，易揮發(fā)液體值小；溫度越高，值越?。凰s質(zhì)越多，值也越小。2、 焦利秤與普通秤有什么區(qū)別？使用過程中要注意些什么？焦利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

16、離來稱衡，而焦利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。由于焦利秤的上述特點(diǎn)，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(diǎn)。3、 為什么要采用“三線對齊”的方式來測量？兩線對齊可以嗎？為什么？4、 用拉脫法測液體表面張力系數(shù)時，其測量結(jié)果一般要偏大，試分析產(chǎn)生這種系統(tǒng)誤差的原因和應(yīng)當(dāng)如何修正。5、 試用圖解法求焦利秤彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)，并將所得結(jié)果與逐差法算出的倔強(qiáng)系數(shù)作比較。6、 在拉膜時彈簧的初始位置如何確定？為什么？7、 如

17、果金屬絲玻璃杯和液體不潔凈，對測量結(jié)果將會帶來什么影響?8、 本實驗?zāi)芊裼脠D解法求焦利秤的倔強(qiáng)系數(shù)？9、 如果型金屬絲不規(guī)則，或拉出液面時不水平，對測量結(jié)果有何影響？十二、 教學(xué)后記附表：不同溫度下純凈水、酒精表面張力系數(shù)（液體10203040506070純凈水73.271.770.168.667.065.463.9酒精25.222.721.520.019.318.817.9十三、 實驗成績評定標(biāo)準(zhǔn)實驗操作要求實驗報告要求等 級1預(yù) 習(xí) 充 分格 式 規(guī) 范A：達(dá)到要求B：基本達(dá)到要求C：達(dá)不到要求D：不及格 各檔對應(yīng)分?jǐn)?shù)(100) (95) (90)(85) (80) (75)(70) (65) (60)2目 的 明 確書 寫 整 潔3原 理 清 楚作 圖 完 美4步 驟 正 確表 達(dá) 完 整5操 作 規(guī) 范結(jié) 果 分 析6數(shù) 據(jù) 正 確實 驗 體 會7遵 守 紀(jì) 律見 解 創(chuàng) 新8整 理 儀 器習(xí) 題 正 確1、 實驗有新發(fā)現(xiàn)，有創(chuàng)新或獨(dú)到見解，實驗成績評定后，提高一檔。2、 遲到，成績降一檔。 3、 缺席，該次實驗成績?yōu)榱惴帧?4、 無故遲交報告，成績降一檔。5、 篡改實驗數(shù)據(jù)，成