華南農(nóng)業(yè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)3-3水表面張力的測(cè)量

1、實(shí)驗(yàn)3-3液體表面張力系數(shù)的測(cè)量液體表面張力是表征液體物理性質(zhì)的一個(gè)重要參量。測(cè)量液體表面張力系數(shù)常用的方法之一是拉脫法，該方法的特點(diǎn)是：用稱量儀器直接測(cè)量液體表面張力，測(cè)量方法直觀、概念清晰。由于用此方法液體表面張力大約在N/m之間，因此需要有一種量程范圍小、靈敏度高、而且穩(wěn)定性好的測(cè)力儀器，硅壓阻式力敏傳感器測(cè)定儀正能滿足測(cè)量需要，它不僅靈敏度高、穩(wěn)定性好，而且可以用數(shù)字信號(hào)顯示，便于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量。一、實(shí)驗(yàn)原理：1、液體表面張力系數(shù)：液體的表面，由于表層內(nèi)分子力的作用，存在著一定張力，稱為表面張力，正是這種表面張力的存在使液體的表面猶如張緊的彈性模，有收縮的趨勢(shì)。設(shè)想在液面上有一條直線，

2、表面張力就表現(xiàn)為直線兩旁的液面以一定的拉力f相互作用。f存在于表面層，方向恒與直線垂直，大小與直線的長度L成正比，即：比例系數(shù)稱為一條的表面張力系數(shù)，單位N/m。它的大小與液體的成分、純度以及溫度有關(guān)（溫度升高時(shí)，值減?。?。2、拉脫法測(cè)量液體表面張力系數(shù)：測(cè)量一個(gè)已知長度的金屬片從待測(cè)液體表面脫離時(shí)需要的力，從而求得表面張力系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法稱為拉脫法。若金屬片為環(huán)狀時(shí)，考慮一級(jí)近似，可以認(rèn)為脫離力（即：表面張力）為表面張力系數(shù)乘以脫離表面的周長。即：得表面張力系數(shù)：其中，f為拉脫力；D1、D2分別為圓環(huán)的外徑和內(nèi)徑；為液體表面張力系數(shù)。3、力敏傳感器測(cè)量拉力的原理：硅壓阻力敏傳感器由彈性梁和貼在

3、梁上的傳感器芯片組成，其中芯片由4個(gè)硅擴(kuò)散電阻集成一個(gè)非平衡電橋。當(dāng)外界壓力作用于金屬梁時(shí)，電橋失去平衡，產(chǎn)生輸出信號(hào)，輸出電壓與所加外力成線性關(guān)系，即：其中，K為力敏傳感器的靈敏度（mV/N），其大小與輸入的工作電壓有關(guān)；F為所加的外力；U為輸出的電壓。1.底座及調(diào)節(jié)螺絲 2.升降調(diào)節(jié)螺母 3.培養(yǎng)皿 4.金屬片狀圓環(huán)5.硅壓阻式力敏傳感器及金屬外殼 6.數(shù)字電壓表圖2 液體表面張力測(cè)量裝置對(duì)于本實(shí)驗(yàn)裝置，工作原理如下：（1）液膜被拉斷前：拉斷前瞬間，即：；此時(shí)，數(shù)字電壓表示數(shù)為U1，則：。（2）液膜被拉斷后（瞬間）：此時(shí)，數(shù)字電壓表示數(shù)為U2，則：。（3）液膜拉斷前后拉力變化：又因?yàn)樗宰?/p>

4、：實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)金屬環(huán)直徑在3cm附近、而且金屬環(huán)和液體的接觸角近似為0時(shí)，運(yùn)用上述公式計(jì)算各種液體的表面張力系數(shù)的結(jié)果較為正確。二、實(shí)驗(yàn)任務(wù)與要求：1、力敏傳感器的定標(biāo)，求出靈敏度K；2、測(cè)量待測(cè)液體（純水、乙醇、丙三醇）的表面張力系數(shù)；3、研究表面張力系數(shù)隨液體的濃度變化規(guī)律；（選做）三、實(shí)驗(yàn)步驟：1、力敏傳感器的定標(biāo)：（1）接通電源，將儀器預(yù)熱15分鐘；（2）在傳感器橫梁端的小鉤上掛上砝碼盤，調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕（電子組合儀上的補(bǔ)償電壓旋鈕）使數(shù)字電壓表示數(shù)為零（注意：調(diào)零后此旋鈕不能再動(dòng)）；（3）在砝碼盤中分別加入等質(zhì)量mi（每個(gè)砝碼0.0005kg）的砝碼，記錄對(duì)應(yīng)質(zhì)量下的電壓表讀書Ui，填入

5、表1；（4）用作圖法（或其它雙變量數(shù)據(jù)處理方法）做直線擬合，求出傳感器靈敏度K；2、測(cè)量液體表面張力系數(shù)：（1）用游標(biāo)卡尺測(cè)量金屬環(huán)的外徑D1、內(nèi)徑D2；（2）將金屬環(huán)吊片在NaOH溶液中浸泡20-30秒，然后用清水洗凈（因?yàn)榄h(huán)表面狀況與測(cè)量結(jié)果有很大關(guān)系）；（3）將金屬環(huán)吊片掛在傳感器的小鉤上，調(diào)節(jié)升降臺(tái)將液體升至靠近金屬環(huán)下沿，觀察金屬環(huán)下沿與待測(cè)液面是否平行。如果不平行，將金屬環(huán)取下，調(diào)節(jié)環(huán)片上的細(xì)絲，使之與液面平行（偏差增加1度，測(cè)量誤差將增加0.5%）；（4）調(diào)節(jié)玻璃皿下的升降臺(tái)，使環(huán)片下沿全部浸入待測(cè)液體中，然后反向勻速下降升降臺(tái)，使金屬環(huán)片與液面間形成一個(gè)環(huán)狀液膜。繼續(xù)下降液面，

6、觀察電壓表讀數(shù)，測(cè)量出液膜拉斷前后瞬間電壓值U1、U2記錄在表格中；（5）重復(fù)測(cè)量U1、U2各8次；（6）將數(shù)據(jù)帶入液體表面張力系數(shù)公式，求出待測(cè)液體在某溫度下的表面張力系數(shù)，并對(duì)結(jié)果做出評(píng)價(jià)（亦可與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較）；（7）整理儀器；4、 數(shù)據(jù)記錄：則可知B=3.14（1）力敏傳感器的定標(biāo)：物體的質(zhì)量m/kg0.00050.00100.00150.00200.00250.00300.0035輸出電壓U/mv15.531.246.862.076.292.0106.8（2） 金屬圓環(huán)的內(nèi)外徑和水表面張力系數(shù)的測(cè)量（內(nèi)徑：D1=0.03475m 外徑：D2=0.03325m)0.068測(cè)量次數(shù)U1/

7、mVU2/mV/mVf/10-3N/10-3N/m1140.795.745.014.3312167.118822140.995.845.114.3630667.267973140.696.144.514.1719766.373054140.195.944.214.0764365.92565140.796.144.614.2038266.522216139.796.043.713.917265.17983根據(jù)以上數(shù)據(jù)， 代入計(jì)算公式得到平均值=（U1-U2）/B（D1+D2）】=66.39791又修約后的U=0.0002得到張力系數(shù)最終結(jié)果為=(66.4±0.2)*10-3 N/m五、思考與總結(jié)：（1） 吊環(huán)剛剛接觸水面時(shí)，電壓讀數(shù)會(huì)躍變至一個(gè)較大值，然后在慢慢變小。因?yàn)樵趧倓偨佑|水表面時(shí)，水和吊環(huán)產(chǎn)生了浸潤的現(xiàn)象，在吊環(huán)壁產(chǎn)生了一圈水膜，此時(shí)即存在張力，表現(xiàn)為對(duì)吊環(huán)向下的拉力，所以吊環(huán)剛剛接觸水面時(shí)，傳感器所受拉力會(huì)突然變大。（2） 引起誤差的原因會(huì)有一下幾點(diǎn)：1. 定標(biāo)時(shí)砝碼盤搖晃，會(huì)使傳感器受到大于砝碼盤（含砝碼）