拉脱法液体表面张力系数的测定-1.doc

液体表面张力系数的测定
生活中有许多物理现象都与液体的表面张力有关。比如，下过雨后，树叶、草地的小水珠都接近于球形；非常扁的物体如硬币可以浮在水面上；一些昆虫可以在水面上行走等等。液体的表面张力实质上是分子间相互作用力的表现。由于液体上方的气相层内的分子数很少，液体表面层（其厚度为分子的作用半径，约为10-7mm）内的分子受到向上的引力比向下的引力小，产生一个垂直于液体并指向液体内部的合力，即表面分子有从液面挤入液体内部的倾向。因此，液体具有尽可能缩小其表面的趋势。宏观上液体表面像一张拉紧了的弹性膜。设想在液面上划一直线，表面张力的作用就表现为直线两旁的液面以一定的拉力相互作用。拉力f存在于表面层，方向恒与直线垂直，大小与直线的长度L成正比，即f=αL。式中，比例系数α称为液体的表面张力系数，其单位为N/m，表示单位长度的直线两旁液面之间的表面张力。
表面张力是液体的重要性质之一，在工业技术上，如结晶、焊接、浮选技术、电镀技术、铸造成型等方面都涉及到对液体表面张力的应用和研究。
测定液体表面张力系数的方法很多，常用的有拉脱法、毛细管法、滴重法和最大泡压法。本实验采用拉脱法测量液体的表面张力系数。
【目的与要求】
1． 用砝码对硅压阻力敏传感器进行定标,计算该传感器的灵敏度,学习传感器的定标方法。
2． 观察拉脱法测液体表面张力的物理过程和物理现象,并用物理学基本概念和定律进行分析和研究,加深对物理规律的认识。
3． 测量纯水和其它液体的表面张力系数。
4． 测量液体的浓度与表面张力系数的关系（如酒精不同浓度时的表面张力系数）。
【实验原理】
一个金属环固定在传感器上，将该环浸没于液体中，并渐渐拉起圆环，当它从液面拉脱瞬间传感器受到的拉力差值为
（1）
式中：、分别为圆环外径和内径，为液体表面张力系数，为重力加速度，所以液体表面张力系数为：
（2）
实验中，液体表面张力可以由下式得到：
（3）
为力敏传感器灵敏度，单位mV/N。,分别为即将拉断水柱时数字电压表读数以及拉断时数字电压表的读数。
【仪器与器材】
实验仪器和器材由四部分组成：1.FD-NST-I型液体表面张力系数测定仪；2.吊盘；3.砝码（0.5g/个，共6个）；4.镊子。
其中FD-NST-I型液体表面张力系数测定仪主要由实验装置和数字电压表组成，如图1所示。

图1 液体表面张力系数测定仪装置
1. 调节螺丝 2. 升降螺丝 3. 玻璃器皿 4. 铝合金吊环 5. 力敏传感器 6. 支架
7. 固定螺丝 8. 航空插头 9. 底座 10. 数字电压表 11. 调零旋钮
【实验内容与步骤】
1． 开机预热，调节仪器水平。
2． 清洗玻璃器皿和吊环。
3． 将吊盘轻轻地挂在力敏传感器的钩上（注意：传感器挂钩所承受力的范围是0~0.098N。挂钩上不能挂太重的物体，以防损坏仪器）。若整机已预热15分钟以上，可对力敏传感器定标：
（1） 在加砝码前应首先对仪器调零，安放砝码时应尽量轻；
（2） 将6个砝码依次放入吊盘内，每增加1个砝码记录一次数字电压表示数计入表1中。
4． 在玻璃器皿内放入被测液体并安放在升降台上。
5． 用游标卡尺测定吊环的内、外直径，数据计入表2中。然后挂上吊环，在测定液体表面张力系数过程中，观察到液体产生的浮力与张力的情况与现象，以逆时针转动升降台大螺帽时液体液面上升，当环下沿部分均浸入液体中时，改为顺时针转动该螺帽，这时液面往下降（或者说相对吊环往上提拉），观察环浸入液体中及从液体中拉起时的物理过程和现象。记录吊环即将拉断液柱前一瞬间数字电压表读数值为U1，拉断时瞬间数字电压表读数为U2，每次测量后,调节调零旋纽,使每次测量的U1、U2不相同。把测得结果填入表3中。
【注意事项】
1． 吊环须严格处理干净。可用NaOH溶液洗净油污或杂质后，用清洁水冲洗干净，并用热吹风烘干。
2． 吊环水平须调节好，注意偏差1°，测量结果引入误差为0.5%；偏差2°，则误差1.6%。
3． 仪器开机需预热15分钟。
4． 在旋转升降台时，尽量使液体的波动要小。
2． 工作室不宜风力较大，以免吊环摆动致使零点波动，所测系数不正确。
3． 若液体为纯净水。在使用过程中防止灰尘和油污及其它杂质污染。特别注意手指不要接触被测液体。
4． 实验结束须将吊环用清洁纸擦干，用清洁纸包好，放入干燥缸内。
【数据处理与分析】
1．记录表格
表1 硅压阻力敏传感器定标

砝码个数 i
输出电压Ui（mV）
△Ui=|Ui+3-Ui|(mV)
(mV)
1

2

3

4

(mV)
(mV)
5

6

g = (m/s2); m砝码= (g); 。

表2 吊环内、外径测量
游标卡尺分度值 （mm）
测量次数
1
2
3
平均值（mm）
外径D1（mm）

内径D2（mm）

表3 纯水的表面张力系数测量
T= ℃； α理= N/m
测量次数
U1（mV）
U2（mV）
（mV）
f（×10N）
α(×10-3N/m)
1

2

3

4

5

6

2.数据处理要求
（1）用逐差法处理表1中数据，计算硅压阻力敏传感器灵敏度B,用平均偏差误差处理方法写出其完整结果表达式。
（2）根据表2数据用平均偏差误差处理方法写出吊环内、外径的完整结果表达式。
（3）由公式（2）、（3）计算纯水表面张力系数，得出α1、α2……α6计算表面张力系数的平均值和平均值的标准偏差,写出其完整结果表达式。
；；。
【思考题】
1．铝合金吊环有一定高度，为什么测量液体表面张力时吊环浸入液体中不宜太深？
2．分析在阳光下和在流动的空气中做实验时，对实验结果有没有影响？为什么？
3． 如何才能使液膜不过早地破裂？

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