实验讲义液体表面张力9.docx
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实验讲义液体表面张力9
液体表面张力系数的测量
表面现象广泛见诸于钢铁生产，焊接，印刷，复合材料的制备等过程中。
液体表面张力系数是表征液体性质的一个重要参数。
测量液体表面张力系数有多种方法，如最大泡压法，毛细管法，拉脱法。
许多现象表明液体表面具有收缩到尽可能小的趋势，这是液体分子间存在相互作用力的宏观表现。
从微观角度看，液体表面具有厚度为分子吸引力有效半径的表面层，处于表面层内的分子比液体内部的分子少了一部分能与之吸引的分子，因此出现了一个指向液体内部的
吸引力，使得这些分子具有向液体内部收缩的趋势。
而从能度看，任何内部分子欲进入表面层就要克服这个吸引力而做功。
显见，表面层有着比液体内部更大的势能（表面能），且液体表面积越大，表面能也越大。
而任何体系总以势能最小的状态最为稳定，所以液体要处于稳定状态，液面就必须缩小，以使其表面能尽可能小，宏观上就表现为液体表面层内的表面张力。
我们想象在液体表面画一条直线，表面张力就表现为线段两边的液面以一定的拉力
相互作用，而力的方向与线段垂直，力的大小与该段直线的长度
成正比，即
（1）
其中，比例系数
称为液体的表面张力系数，单位为N/m。
当液体表面与其蒸汽或空气相接触时，表面张力仅与液体本身的性质及其温度有关。
一般情况下，密度小、容易蒸发的液体，其
较小；而熔融金属的
则很大。
对于同种液体，温度越高，其
越小。
当液体与固体相接触时，不仅取决于液体自身的内聚力，而且取决于液体分子与其接触的固体分子之间的吸引力（称为附着力）。
当这个附着力大于内聚力时，液体就会沿固体表面扩展，这种现象称为润湿。
当这个附着力小于内聚力时，液体就不会在固体表面扩展，称为不润湿。
润湿与不润湿取决于液体、固体的性质，如纯水能完全润湿干净的玻璃，但不能润湿石蜡；水银不能润湿玻璃，却能润湿干净的铜、铁等。
润湿性质与液体中杂质的含量、温度以及固体表面的清洁程度也密切相关，某些杂质能使
增大，而表面活性物质则能使
减小。
教学过程
【预备问题】
1.表面张力是如何形成的？
表面张力系数与那些因素有关？
2.为了减小测量误差，实验时应该注意哪些问题？
【实验目的】
1、掌握用砝码对硅压阻式力敏传感器定标的方法，并计算该传感器的灵敏度
2、了解拉脱法测液体表面张力系数测定仪的结构、测量原理和使用方法，并用它测量纯水表面张力系数。
3、观察拉脱法测量液体表面张力系数的物理过程和物理现象，并用物理学概念和定律进行分析研究，加深对物理规律的认识
4、掌握读数显微镜的结构、原理及使用方法，学会用毛细管测定液体的表面张力系数。
5、利用现有的仪器，综合应用物理知识，自行设计新的实验内容。
【教学重点，难点】
重点：
用拉脱法和毛细管法测量液体表面张力系数。
难点：
拉托瞬间的把握，毛细管液面要升到一定的高度。
【实验原理】
一、拉脱法测量液体的表面张力系数
把金属片弯成如图1（a）所示的圆环状，并将该圆环吊挂在灵敏的测力计上，如图1（b）所示，然后把它浸到待测液体中。
当缓缓提起测力计（或降低盛液体的器皿）时，金属圆环就会拉出一层与液体相连的液膜，由于表面张力的作用，测力计的读数逐渐达到一个最大值F（当超过此值时，液膜即破裂），则F应是金属圆环重力mg与液膜拉引金属圆环的表面张力之和。
由于液膜有两个表面，若每个表面的力为
（
为圆形液膜的周长），则有
（2）
所以
（3）
圆形液膜的周长L与金属圆环的平均周长
相当，若圆环的内、外直径分别为
。
则圆形液膜的周长
L≈L’=
（D1+D2）/2（4）
将（4）式代入（3）式得
（5）
硅压阻式力敏传感器由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成，其中芯片由四个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥。
当外界压力作用于金属梁时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，输出电压大小与所加外力成正比。
即
（6）
式中，ΔF为外力的大小；K为硅压阻式力敏传感器的灵敏度，单位为V/N；ΔU为传感器输出电压的大小。
二、毛细管升高法测液体的表面张力系数
1一只两端开口的均匀细管（称为毛细管）插入液体，当液体与该管润湿且接触角小于90°时，液体会在管内上升一定高度。
而当接触角大于90°时，液体在管内就会下降。
这种现象被称为毛细现象。
本实验研究玻璃毛细管插入水中的情形。
如图2所示，
为表面张力，其方向沿着凹球面的切线方向，大小为
，其中
为毛细管的内孔半径。
设
为接触角（与液体和管壁材料的性质有面的部关），凹球面的半径为
，由图2可知
，由表面张力产生的、垂直向上提高液面的力为
，若忽略
上分液体的重量，则这个力与毛细管中高为
的液柱重量平衡，即
（7）
所以
（8）
式ρ中为液体的密度，
为重力加速度。
如果玻璃管壁和水都非常清净，则
，而（8）而式变为
（9）
在推导公式（9）时，忽略了毛细管中凹球面下端与上端之间液体的重量，为了得到更精确的计算公式，必须考虑这部分液体的重量。
该部分液体的体积约等于半径为r、高也为r的圆柱体体积和半径为r的球体积的一半之差，即
，故忽略的液体重量为
。
当考虑这部分液体重量后，可得
（10）
由上式可知，只要测出毛细管的内径d和上升的液柱高h，就可算出表面张力系数σ。
【实验仪器】
1、表面张力系数测定仪，如图3所示，包括硅扩散电阻非平衡电桥的电源和测电桥失去平衡时输出电压大小的数字电压表、铁架台、微调升降台、装有力敏传感器的固定杆、盛液体的玻璃器皿一套、铝合金圆形吊环一个、0.500g砝码七只（定标用），其它仪器包括镊子（取砝码、砝码盘和挂吊环用），待测液体水，烧杯，温度计等。
2、读数显微镜，玻璃毛细管。
【实验内容】
一、：
拉脱法测水表面张力系数
1、实验准备
（1）连线后接通主机电源，开机预热。
（2）调节铁架台上的三个水平调节螺丝，使铁架台水平。
（3）清洗玻璃器皿
（4）预热15分钟后，可对力敏传感器定标。
2、硅压阻力敏传感器定标
（1）将砝码盘挂在力敏传感器的挂钩上。
（2）将数字电压表调零。
（3）依次加入0.500g的砝码，待稳定后记下电压表读数。
注意放砝码时应尽量轻。
每次增加0.500g砝码，待稳定后记下电压表读数Ui（i=1，2，…8）。
3、水表面张力系数的测量
（1）将砝码盘取下来换上吊环，使吊环平面成水平状态。
（2）在玻璃器皿内放入被测液体并安放在升降台上。
（3）在测定液体表面张力系数过程中，可观察到液体产生的浮力与张力的情况与现象，以顺时针转动升降台大螺帽时液体液面上升，当吊环下沿部分均浸入液体中时，改为逆时针转动该螺帽，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。
特别应注意吊环即将拉断液膜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。
记下这两个数值，这时
.重复测量6次。
二、毛细管升高法测表面张力系数
1、将烧杯装入适量纯水后放在支架上，将洗净烘干的毛细管插入液体中，使之铅直，可见到液体将沿毛细管上升到一定高度。
2、调节望远镜焦距，使看清被测毛细管，在上下慢慢移动显微镜，使望远镜中十字叉丝的水平线与毛细管中液体凹面的下沿相切，记下该读数，然后移动显微镜使十字叉丝的水平线与玻璃器皿中液体凹面的下沿相切，再记下该读数，两读数之差即为液柱高h。
重复测量5次，将所得数据记入表格中。
3、将毛细管取出平放在木盒上，对准显微镜筒调节焦距，直至观察到清晰的毛细管圆孔图像，测出内径d，转动毛细管，放在不同的方位测五次，将所得数据记入表格中。
【数据处理】
1、硅压阻力敏传感器定标
表1力敏传感器定标
次数
砝码重（g）
传感器增重读数（mv）
传感器减重读数（mv）
平均（mv）
1
0
2
0.500
3
1.000
4
1.500
5
2.000
6
2.500
7
3.000
8
3.500
用最小二乘法拟合得得仪器的灵敏度K，并求得线性相关系数r。
2、纯水液体表面张力系数的测量
表2纯水的表面张力系数测量（水的温度T=25℃）
次数
U1（mv）
U2（mv）
△U（mv）
f（N）
1
2
3
4
5
6
根据公式计算在室温下纯水的表面张力系数α。
然后与标准值相比较，求出相对不确定度并写出结果表达式。
二、毛细管法
1、毛细管法测液体的表面张力系数数据表（T=25℃）
2、与拉脱法测量的结果比较，分析误差原因。
次数
毛细管液面下沿
（mm）
烧杯液面下沿
（mm）
液柱高度
（mm）
毛细管内侧下沿
（mm）
毛细管内侧上沿
（mm）
毛细管内径
（mm）
1
2
3
4
5
【思考题】
1、表面张力与哪些因素有关？
实验中应注意哪些因素才能减小误差
2、若吊环的下沿所在平面与液面不平行，测得的表面张力系数是大了还是小了？
为什么？
3、为什么液膜破裂前的一瞬间读出U1值，而不是将数字电压表显示最大值作为U1？
4、简要说明毛细管内液面能升高的原因。
【注意事项】
1、吊环水平须调节好，注意偏差1o结果引入误差为0.5％；偏差2o，则误差1.6%；
2、仪器开机需预热15分钟；
3、在旋转升降台时，尽量使液体的波动要小；
4、实验室不宜风力较大，以免吊环摆动致使零点波动，所测数据结果不正确；
5、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；
6、力敏传感器使用时用力不宜大于0.098N，过大的拉力容易损坏传感器；
7、使用读数显微镜时要注意：
为了防止回程误差，在测量时应向同一方向转动鼓轮使叉丝和各目标对准，当移动叉丝超过了目标时，就要多退回一些，重新再向同方向转动螺轮去对准目标。
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