用拉脱法测定液体的表面张力系数实验.doc
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实验二、用拉脱法测定液体的表面张力系数
液体表层厚度约内的分子所处的条件与液体内部不同,液体内部每一分子被周围其它分子所包围,分子所受的作用力合力为零。
由于液体表面上方接触的气体分子,其密度远小于液体分子密度,因此液面每一分子受到向外的引力比向内的引力要小得多,也就是说所受的合力不为零,力的方向是垂直与液面并指向液体内部,该力使液体表面收缩,直至达到动态平衡。
因此,在宏观上,液体具有尽量缩小其表面积的趋势,液体表面好象一张拉紧了的橡皮膜。
这种沿着液体表面的、收缩表面的力称为表面张力。
表面张力能说明液体的许多现象,例如润湿现象、毛细管现象及泡沫的形成等。
在工业生产和科学研究中常常要涉及到液体特有的性质和现象。
比如化工生产中液体的传输过程、药物制备过程及生物工程研究领域中关于动、植物体内液体的运动与平衡等问题。
因此,了解液体表面性质和现象,掌握测定液体表面张力系数的方法是具有重要实际意义的。
测定液体表面张力系数的方法通常有:
拉脱法、毛细管升高法和液滴测重法等。
本实验仅介绍拉脱法。
拉脱法是一种直接测定法。
【实验目的】
1.了解新型焦利氏秤实验仪的基本结构,掌握用标准砝码对测量仪进行定标的方法;
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.掌握用拉脱法测定纯水的表面张力系数及用逐差法处理数据。
【实验原理】
1.测量公式推导:
当逐渐拉提冂形铝片框时,角逐渐变小而接近为零,这时所拉出的液膜前后两个表面的表面张力均垂直向下。
设拉起液膜将破裂时的拉力为,则有
(1)
式中:
为粘附在框上的液膜质量,为线框质量。
因表面张力的大小与接触面周界长度成正比,则有:
(2)
比例系数称表面张力系数,单位为。
由
(1),
(2)式得:
(3)
由于冂形铝片框很薄,被拉起的水膜很薄,较小,可以将其忽略,且一般有,那么,于是(3)式可以简化为:
(4)
2.用新型焦利氏秤实验仪来测量值:
新型焦利氏秤实验仪相当于一个精密的弹簧称,常用于测量微小的力,根据胡克定理制作而成。
如果测出冂形铝片框浸入液体时弹簧下端位置的读数,然后测出冂形铝片框被缓缓提起,在液膜被拉脱瞬间弹簧下端位置的读数,则有:
这样,(5)
实验只需测出弹簧倔强系数以及冂形铝片框的宽度,便可由(5)式求得所测液体的表面张力系数。
【实验仪器】
新型焦利氏秤实验仪、水槽及平台升降调节装置等
【实验内容及步骤】
1.新型焦利氏秤实验仪的定标:
(1)按图安装好实验仪器并利用铅锤线调节仪器底座为水平状态;
(2)在主尺顶部安装弹簧,再依次挂入带配重块的指针吊钩、砝码托盘,松开顶端挂钩锁紧螺钉,旋转顶端弹簧挂钩,使小指针正好轻轻靠在平面镜上(注意:
力度要适当,若靠得太紧,可能会因摩擦太大带来附加的系统误差),以便准确读数。
(3)调整小游标的高度使小游标平面镜的基准刻线大致对准指针,锁紧固定小游标的锁紧螺钉,然后调整视差,先让指针与镜子中的虚像重合,再细心调节小游标上的调节螺母,使得小游标平面镜上的基准刻线、指针以及指针在镜子中的虚像三线重合。
通过主尺和游标尺读出读数(读数原理和方法与游标卡尺相同)。
(4)然后在砝码托盘中放入砝码,再重复实验步骤(3),读出此时指针所在的位置值。
逐个放入个砝码,通过主尺和游标尺依次读出每个砝码放入后小指针的位置,再依次把这个砝码取下托盘,记下对应的位置值。
(5)根据每次放入或取下砝码时弹簧所受的重力和对应的拉伸值,用逐差法计算弹簧的倔强系数。
2.用拉脱法测定液体的表面张力系数:
(1)先将冂形铝片用镊子夹住用碱溶液清洗,以除去油污,再用清水洗去碱溶液。
然后将其挂于砝码盘下的小钩上。
(2)调节游标位置,在“三线对齐”条件下,记录初读数。
(3)在水槽⑧中加满水(或其它液体),调节平台升降旋钮⑩,将冂形铝片浸入液体中,先把滚花螺母③调节到靠近游标滑块的位置,以便水槽平台下降时,可以调节滚花螺母③使游标滑块下降,满足调节“三线对齐”的要求。
(4)缓慢地调节平台升降旋钮⑩,使水槽缓慢地下降,门形铝片框逐渐被拉起(相对液体平面而言),同时调节滚花螺母③,使游标滑块指针跟踪下降,始终保持“三线对齐”。
(5)直到门形金属框与液面拉脱(直到水膜破裂为止),立即停止操作,记下。
(6)重复以上步骤进行多次测量,记下每次读数和,分析的离散性,取相近的组数据作为测量结果。
(7)用游标尺或米尺测量冂形铝片框宽度,重复次,测量时要防止金属框变形。
【数据与结果】
1.对实验仪进行定标,将测试数据记入表,用逐差法求弹簧的倔强系数;
2.用拉脱法测量液体表面张力,记录弹簧的伸长量。
(1)数据记录参考表
1.用逐差法求仪器弹簧的屈强系数:
数据记录表格
先记录砝码盘等作为初读数,然后每次增加一个砝码,(该标准砝码符合国家标准,相对误差为)
表格3
砝码质量
增重读数
减重读数
等间距逐差:
对应的测定仪的读数,则
2.用拉脱法测定,计算液体的表面张力系数:
表格4水温(室温)
测量值
次数
伸长量
1
2
3
4
5
(2)数据处理方法:
于是:
3.多次测量冂形框的宽度:
4.计算及不确定度:
最后,把结果表示为:
5.对实验结果作出分析和评判:
查出室温下水的表面张力系数的理论值,以此值作为近似真值,求测量结果的误差并与比较。
【思考题】
1.什么叫表面张力?
表面张力系数与哪些因素有关?
2.在推导测量公式时,作了哪些近似?
式中各量的物理意义是什么?
3.拉脱法的物理本质是什么?
4.若考虑拉起液膜的重量,实验结果应如何修正?
【附录1】蒸馏水与空气为界的表面张力系数与温度的关系
温度t
0
10
20
30
40
50
7.564
7.422
7.275
7.118
6.956
9.791