用拉脫法測(cè)量液體表面的張力系數(shù)PPT徐永祥

1、用拉脫法測(cè)量液體表面的張力系數(shù)1背景知識(shí)液體跟氣體接觸的界面存在一個(gè)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)部分子間距大，分子間的相互作用表現(xiàn)為引力。這種引力使液體表面自然收縮，猶如張緊的彈簧薄膜。由液體表面收縮而產(chǎn)生的沿著切線方向的力稱為表面張力。正是因?yàn)檫@種張力的存在，才使得有些小昆蟲能夠無(wú)拘無(wú)束地在水面上行走自如。2液體表面張力是液體的一個(gè)重要物理性質(zhì), 它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、物理化學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)研究和日常生活中有著重要的應(yīng)用。如工業(yè)技術(shù)中的浮選技術(shù)和液體輸送技術(shù)、化工生產(chǎn)中液體的傳輸過(guò)程、藥物制備過(guò)程及生物工程研究領(lǐng)域中關(guān)于動(dòng)、植物體內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)與平衡等。在

2、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中, 液體表面張力有時(shí)是不利的。例如, 在農(nóng)作物噴灌和葉面施肥時(shí), 如果溫度太低, 液體在農(nóng)作物葉面上收縮成球型影響葉面對(duì)液體的吸收, 因此考慮在適當(dāng)?shù)臏囟葪l件下作業(yè), 以減小液體的表面張力的大小。 3常用的有拉脫法1,3 、毛細(xì)管升高法、液滴高度法、最大氣泡壓力法、U形管法等。本實(shí)驗(yàn)采用拉脫法測(cè)量，它屬于一種直接測(cè)定方法。測(cè)定液體表面張力的方法:【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、了解液體表面的性質(zhì)，測(cè)定液體的表面張力 系數(shù)。2、學(xué)習(xí)喬利秤測(cè)量微小力的原理和方法。3、學(xué)會(huì)逐差法、作圖法、累加法等數(shù)據(jù)處理方法，并會(huì)作不確定度分析。 4【實(shí)驗(yàn)儀器】 焦利秤、門形框、游標(biāo)卡尺、玻璃燒杯、溫度計(jì)、砝碼、被

3、測(cè)液體(純凈水、自來(lái)水、熱水等)?！緦?shí)驗(yàn)原理】 如果液體表面被長(zhǎng)度為l的直線分成兩部分，這兩部分之間的相互作用力F就是液體的表面張力。5FFl圖 1 表面張力示意圖F垂直于直線l，并與表面相切，大小為F=l，比例系數(shù)是液體的表面張力系數(shù)，單位為N/m，表示單位長(zhǎng)度的線段l上受到的表面張力。如果能測(cè)出F和l，就可以算出表面張力系數(shù)。6影響液體表面張力系數(shù)的因素：液體的類別：不同的液體，表面張力系數(shù)不同。密度越小、越容易揮發(fā)的液體，其表面張力系數(shù)越小。溫度：表面張力系數(shù)隨溫度的升高而減小。解釋：當(dāng)液體溫度升高, 分子的平均動(dòng)能勢(shì)必增大. 所以, 液體表面層分子平均密度更小, 平均距離更大. 分子的

4、平均引力優(yōu)勢(shì)反而減小. 因此, 隨著溫度升高液體的表面張力反而減小。此外，純凈水的表面張力系數(shù)與溫度呈近似的線性關(guān)系。雜質(zhì)：同一種液體，加入雜質(zhì)后可促使液體表面張力系數(shù)增大或減小。一般而言，醇、酸、醛、酮等有機(jī)物質(zhì)大都是表面活性劑，比水的表面張力系數(shù)小得多。 7拉脫法是一種直接測(cè)定液體表面張力的方法。 將一個(gè)內(nèi)寬為s的門形金屬框垂直懸吊浸于待測(cè)液體中，緩慢、均勻地拉起，此時(shí)在金屬框附近的液面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿著液面的切線方向的表面張力F，由于表面張力的作用，金屬框四周將帶起一個(gè)水膜，水膜呈彎曲形狀，如圖3所示。液體表面的切線與金屬絲表面的切線之間的夾角稱為接觸角。8當(dāng)將金屬絲緩慢拉出水面時(shí)，表面張力

5、F的方向?qū)㈦S著液面方向的改變而改變，接觸角逐漸減小而趨近于零，因此F的方向趨近于豎直向下。圖 2 接觸角示意圖F9取門形框所經(jīng)過(guò)的兩個(gè)特殊位置作分析。圖3（a）金屬絲框緊貼水面位置 T2F浮W1. 門形框緊貼水面位置 此時(shí)門形框在下述力的作用下達(dá)到平衡：豎直向下的重力W、向上的拉力T2、液體的浮力F浮，如圖3（a），于是，有(1)10圖3 (b) 水膜剛脫落的瞬間F浮W T1F張力G膜2. 水膜剛被拉破的瞬間液膜破裂的瞬間門形框受下述力作用而平衡：豎直向下的重力W、向上的拉力T1、液體的浮力F浮、液膜的重力G、豎直向下的張力F，有： (2)式中，m0、m膜分別為門形框和液膜的質(zhì)量， d為金屬絲

6、的直徑、h表示液膜的高度、S表示液膜破裂的瞬間游標(biāo)零線所指示的讀數(shù)。 11同時(shí)考慮到液膜有兩個(gè)表面，于是液體的表面張力F為 ( 3 )( 4 )由(1)、(2)和(3)得到： 12式中，液膜的重力為：(5)d表示液膜的厚度。若忽略水膜的重量和浮力時(shí)，上述表式可以簡(jiǎn)化為 拉脫法測(cè)量液體表面張力系數(shù)的近似計(jì)算公式13焦利秤實(shí)際上是一種用于微測(cè)小力的精細(xì)彈簧秤。一金屬套管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A內(nèi)。在金屬套管A的上端固定有游標(biāo)。圓柱B頂端伸出的支臂上掛一錐形彈簧S。轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕G可使圓柱B上下移動(dòng)，因而帶動(dòng)彈簧S上下升降。彈

7、簧上升或下降的距離由主尺（圓柱B）和游標(biāo)來(lái)確定。 圖 4 喬利秤結(jié)構(gòu)示意圖14E 為固定在金屬套管A上一側(cè)刻有刻線的玻璃圓筒，D為掛在彈簧S下端的兩頭帶鉤的小平面鏡，鏡面上有一刻線。實(shí)驗(yàn)時(shí)，使玻璃圓筒E上的刻線、小平面鏡上的刻線、E上的刻線在小平面鏡中的象，三者始終重合，簡(jiǎn)稱“三線對(duì)齊”。C為一平臺(tái)，轉(zhuǎn)動(dòng)其下端的螺釘時(shí)平臺(tái)C可升降但不轉(zhuǎn)動(dòng)。焦利秤與一般彈簧秤差別：一般的彈簧秤都是上端固定，在下端加負(fù)載后向下伸長(zhǎng)；而焦利秤是控制彈簧下端的位置保持一定，加負(fù)載后向上拉動(dòng)彈簧確定伸長(zhǎng)量。彈簧的伸長(zhǎng)量由主尺和游標(biāo)確定（即伸長(zhǎng)前后兩次讀數(shù)之差值）。15【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1. 用酒精清洗玻璃杯和門形框2. 測(cè)量

8、彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)k。 (1) 按圖4掛好彈簧S、小鏡子D和法碼盤，再調(diào)節(jié)三角底座上的螺釘，并適當(dāng)調(diào)節(jié)彈簧S與玻璃管E的位置，使小鏡子垂直地位于玻璃管中間，四周不能與玻璃管接觸。轉(zhuǎn)動(dòng)升降旋鈕G，使玻璃管上的水平線、鏡子上的水平線及水平線在鏡子中的像三者對(duì)齊（以下簡(jiǎn)稱三線對(duì)齊），讀出游標(biāo)零線所指示的主尺上的讀數(shù)L0。 16 (2) 依次將質(zhì)量為m（此處m取1g）的砝碼加在彈簧下方的砝碼盤內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)升降旋鈕G，重新調(diào)到三線對(duì)齊，分別記下在1g、2g、9g時(shí)游標(biāo)零線所指示的主尺刻度L1、L2、L9，再用逐差法、累加法或作圖法求出彈簧的平均勁度系數(shù)(南京地區(qū)g取9.79m/s2)。逐差法：累加法:說(shuō)明：采用

9、逐差法處理時(shí)，需測(cè)偶數(shù)組數(shù)據(jù)，將它們前后分為兩組，依次逐差。累加法無(wú)須測(cè)偶數(shù)組。、173. 用游標(biāo)卡尺測(cè)量金屬框的長(zhǎng)度l三次，求出其平均值及其標(biāo)準(zhǔn)不確定度。其中，B類不確定度分量按（mm）計(jì)算。 勁度系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度:K的合成不確定度： 184. 測(cè)量?jī)蓚€(gè)特殊位置下的主尺讀數(shù) 將盛液體的燒杯放在平臺(tái)C上，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)C下的螺釘，使平臺(tái)和燒杯上升，金屬絲浸入液體中。然后一邊緩慢地下降平臺(tái)；一邊緩慢調(diào)節(jié)旋鈕G，升高小鏡子中的刻線。每作上述同步調(diào)節(jié)均需保證三線對(duì)齊。 當(dāng)金屬框上沿升至液體表面位置時(shí)，通過(guò)三線對(duì)齊記錄下此時(shí)游標(biāo)零線所指示的主尺讀數(shù)S0；重復(fù)上述調(diào)節(jié)，直到平臺(tái)只要再下降一點(diǎn)，金屬絲就脫出液

10、面為止。記下此刻的讀數(shù)s，由此可得彈簧的伸長(zhǎng)量(s-s0)。 重復(fù)上述步驟，得出三組彈簧伸長(zhǎng)量(s-s0)。由計(jì)算張力系數(shù)。19分析測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差及不確定度 不確定度： 相對(duì)不確定度：附表：不同溫度下純凈水、酒精表面張力系數(shù) （10 - 3 N/ m）給出測(cè)量結(jié)果：（N/m） 20【注意事項(xiàng)】1. 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。2. 實(shí)驗(yàn)時(shí)動(dòng)作必須仔細(xì)、緩慢。平臺(tái)一次只能下降一點(diǎn)，如果動(dòng)作鹵莽，會(huì)使液膜過(guò)早破裂，帶來(lái)較大誤差。3. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中小鏡子和玻璃管不能相接觸，否則會(huì)造成較大誤差。4. 每次實(shí)驗(yàn)前玻璃杯和門形框要用酒精清洗后才能使用。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用吸水紙將門

11、形框表面擦干，以免銹蝕。5. 測(cè)量前后應(yīng)記錄被測(cè)液體的溫度。21【思考題】1. 為什么荷葉上的水滴、油里的水滴等均呈球形？2. 焦利秤與普通秤有什么區(qū)別？使用過(guò)程中要注意些什么？3. 為什么要采用“三線對(duì)齊”的方式來(lái)測(cè)量？?jī)删€對(duì)齊可以嗎？為什么？4. 用拉脫法測(cè)液體表面張力系數(shù)時(shí)，其測(cè)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。22【參考文獻(xiàn)】1. 許森東, 胡煒, 李祖樟, 馮元新. 拉脫法測(cè)液體表面張力系數(shù)公式及其簡(jiǎn)化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的分析. 河北北方學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007, 23 (5): 7-8，282. 譚興文. 液體表面張力系數(shù)與溫度的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究. 西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007, 32 (4)