液體表面張力系數(shù)的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)原理液體表面層內(nèi)分子相互作用的結(jié)果使得液體表面自然收縮，猶如緊張的彈性薄膜。由于液面收縮而產(chǎn)生的沿著切線方向的力稱(chēng)為表面張力。設(shè)想在液面上作長(zhǎng)為L(zhǎng)的線段，線段兩側(cè)液面便有張力f相互作用，其方向與L垂直，大小與線段長(zhǎng)度L成正比。即有：f＝L（1）比例系數(shù)稱(chēng)為液體表面張力系數(shù)，其單位為Ｎm-1。將一表面潔凈的長(zhǎng)為Ｌ、寬為d的矩形金屬片（或金屬絲）豎直浸入水中，然后慢慢提起一張水膜，當(dāng)金屬片將要脫離液面，即拉起的水膜剛好要破裂時(shí)，則有F＝mg＋f（2）式中Ｆ為把金屬片拉出液面時(shí)所用的力；mg為金屬片和帶起的水膜的總重量；f為表面張力。此時(shí)，f與接觸面的周?chē)吔?（L＋d）,代入（2）式中可得（3）本實(shí)驗(yàn)用金屬圓環(huán)代替金屬片，則有（4）式中d1、d2分別為圓環(huán)的內(nèi)外直徑。實(shí)驗(yàn)表明，與液體種類(lèi)、純度、溫度和液面上方的氣體成分有關(guān)，液體溫度越高，值越小，液體含雜質(zhì)越多，值越小，只要上述條件保持一定，則是一個(gè)常數(shù)，所以測(cè)量時(shí)要記下當(dāng)時(shí)的溫度和所用液體的種類(lèi)及純度。實(shí)驗(yàn)儀器焦利秤，砝碼，燒杯，溫度計(jì)，鑷子，蒸餾水，游標(biāo)卡尺等。焦利秤的主要結(jié)構(gòu)如圖所示：1彈簧，2配重圓柱體，3小指針，4游標(biāo)尺，5砝碼托盤(pán)，6載物平臺(tái)，7調(diào)節(jié)平臺(tái)高度的小螺釘，8調(diào)節(jié)平臺(tái)高度的微調(diào)旋鈕，9水平調(diào)節(jié)螺絲，10調(diào)節(jié)游標(biāo)高度的微調(diào)旋鈕，11調(diào)節(jié)游標(biāo)高度的小螺釘，12小鏡子，13主尺。儀器的實(shí)物圖調(diào)平底盤(pán)，將儀器依次掛好；調(diào)底盤(pán)高度和游標(biāo)高度，使指針位于游標(biāo)中心“0”刻度測(cè)表面張力實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．安裝好儀器，掛好彈簧，調(diào)節(jié)底板的三個(gè)水平調(diào)節(jié)螺絲，使焦利秤立柱豎直。在主尺頂部掛入吊鉤再安裝彈簧和配重圓柱體，使小指針被夾在兩個(gè)配重圓柱中間，配重圓柱體下端通過(guò)吊鉤鉤住砝碼托盤(pán)。調(diào)整小游標(biāo)的高度使小游標(biāo)左側(cè)的基準(zhǔn)線大致對(duì)準(zhǔn)指針，鎖緊固定小游標(biāo)的鎖緊螺釘，然后調(diào)節(jié)微調(diào)螺絲使指針與鏡子框邊的刻線重合，當(dāng)鏡子邊框上刻線、指針和指針的像重合時(shí)（即稱(chēng)為“三線對(duì)齊”），讀出游標(biāo)０線對(duì)應(yīng)刻度的數(shù)值Ｌ0。2．測(cè)量彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)K。依次增加1.0g砝碼，即將質(zhì)量為1.0g，2.0g，3.0g，…9.0g的砝碼加在下盤(pán)內(nèi)。調(diào)整小游標(biāo)的高度，每次都重新使三線對(duì)齊，分別記下游標(biāo)０線所指示的讀數(shù)L1、L2、…L9；再逐次減少1.0g砝碼，調(diào)整小游標(biāo)的高度，每次都重新使三線對(duì)齊，分別記下游標(biāo)０線所指示的讀數(shù)、、…，取二者平均值，用逐差法求出彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)。即(5)(6)（7） 3．測(cè)（F－mg）值。將潔凈的金屬圓環(huán)掛在彈簧下端的小鉤子上，調(diào)整小游標(biāo)的高度使三線對(duì)齊，記下此時(shí)游標(biāo)０線指示讀數(shù)S0。把裝有蒸餾水的燒杯置于焦利平臺(tái)上，調(diào)節(jié)平臺(tái)位置，使金屬片浸入水中，轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)旋鈕使平臺(tái)緩緩下降，下降的過(guò)程中金屬圓環(huán)底部會(huì)拉成水膜，在水膜還沒(méi)有破裂時(shí)需調(diào)節(jié)三線對(duì)齊，然后再使平臺(tái)下降一點(diǎn)，重復(fù)剛才的調(diào)節(jié)，直到平臺(tái)稍微下降，金屬圓環(huán)剛好脫出液面為止，記下此時(shí)游標(biāo)０線所指示的讀數(shù)S，算出ΔS=S－S0的值，即為在表面張力作用下，彈簧的伸長(zhǎng)量，重復(fù)測(cè)量五次，求出平均值，此時(shí)有（8）式中K為（8）式中所示彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)，將（8）代入（4）式中可得（9）4．用卡尺測(cè)出d1、d2值，將數(shù)據(jù)代入（9）式中即可算出水的值。再記錄室溫，可查出此溫度下蒸餾水的標(biāo)準(zhǔn)值，并做比較。實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）由于雜質(zhì)和油污可使水的表面張力顯著減小，所以務(wù)必使蒸餾水、燒杯、金屬片保持潔凈。實(shí)驗(yàn)前要對(duì)裝蒸餾水的燒杯、金屬圓環(huán)進(jìn)行清潔處理，依次用NaOH溶液→酒精→蒸餾水將以上用具清洗干凈，烘干后備用。（2）清潔后的用具，切勿用手觸摸，應(yīng)有鑷子取出或存放。(3)測(cè)量S時(shí)要避免水膜提前破裂，否則實(shí)驗(yàn)誤差較大，其中引起水膜提前破裂的因素有：桌面的震動(dòng)，空氣的流動(dòng)，金屬圓環(huán)底部不水平等。數(shù)據(jù)處理記錄數(shù)據(jù)，參考表格如下：砝碼數(shù)增重讀數(shù)(mm)減重讀數(shù)(mm)平均數(shù)li+5-

lik0.0g1.0g2.0g3.0g4.0g5.0g6.0g7.0g8.0g9.0g表格1用逐差法測(cè)量彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)次數(shù)標(biāo)尺零點(diǎn)讀數(shù)S0水膜破裂時(shí)讀數(shù)Si

ΔS=Si-S0f12345表格2測(cè)量表面張力根據(jù)公式求出水的表面張力系數(shù)的值：注：在不同溫度下與空氣接觸的水的表面張力系數(shù)≈（75.75－0.15t）×10—3N/m，t為攝氏度，或者查表可得的精確值。思考題1．本實(shí)驗(yàn)中測(cè)量表面張力時(shí)將金屬圓環(huán)浸入水中，然后緩慢地輕輕將金屬圓環(huán)從水中拉起，該過(guò)程中需要時(shí)刻保證底面與水面相平，應(yīng)如何操作？試分析金屬圓環(huán)在豎直方向的受力。2.實(shí)驗(yàn)中要求把金屬圓環(huán)拉到欲脫離水膜而又恰未脫離的極限狀態(tài)，這是為什么？3.

若實(shí)驗(yàn)過(guò)程中金屬圓環(huán)不是水平拉出水面，而是出現(xiàn)一端高一端低的傾斜現(xiàn)象，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有無(wú)影響？應(yīng)如何避免？4.試用作圖法得出焦利彈簧秤的勁度系數(shù)，將結(jié)果與逐差法的結(jié)果進(jìn)行比較。相關(guān)知識(shí)影響液體的表面張力的因素：內(nèi)因：無(wú)機(jī)液體的表面張力比有機(jī)液體的表面張力大的多；水的表面張力72.8mN/m(20℃)；有機(jī)液體的表面張力都小于水；含氮、氧等元素的有機(jī)液體的表面張力較大；含F(xiàn)、Si的液體表面張力最??；分子量大表面張力的；水溶液：如果含有無(wú)機(jī)鹽，表面張力比水大；含有有機(jī)物，表面張力比水小。外因：溫度升高表面張力減??；壓力和表面張力沒(méi)有關(guān)系。注：液體表面張力最弱的是酒精。2、典型的靜力學(xué)則表面張力的方法有：毛細(xì)管上升法；Wilhelmy盤(pán)法；懸滴法；滴體積