液體表面張力實(shí)驗(yàn)講義

1、用硅壓阻力敏傳感器測定液體表面張力系數(shù)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解液體表面張力的性質(zhì)，掌握拉托法測定液體表面張力的原理。2學(xué)習(xí)硅壓阻力敏傳感器的物理原理，測定水等液體的表面張力系數(shù)。二實(shí)驗(yàn)儀器圖1 表面張力系數(shù)測定儀WBM-1A型液體表面張力測定儀、游標(biāo)卡尺三實(shí)驗(yàn)原理（缺兩張圖）表面張力是分子力的一種表現(xiàn)，它發(fā)生在液體和氣體接觸的邊界部分，是由表面層的液體分子處于特殊情況決定的。液體內(nèi)部的分子和分子之間幾乎是緊挨著的，分子間經(jīng)常保持平衡距離，稍遠(yuǎn)一些就相吸，稍近一些就相斥，這就決定了液體分子不像氣體分子那樣可以無限擴(kuò)散，而只能在平衡位置附近振動和旋轉(zhuǎn)。在液體表面附近的分子，由于上層空間氣相分子對它的吸引力

2、小于內(nèi)部液相分子對它的吸引力，所以該分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液體內(nèi)部，這種收縮力稱為表面張力。表面層分子間的斥力隨它們彼此間的距離增大而減小，在這個(gè)特殊層中分子間的引力作用占優(yōu)勢。如果在液體表面上任意劃一條分界線MN把液面分成a、b兩部分(如圖2所示)，f表示a部分表面層中的分子對b部分的吸引力，f´表示右部分表面層中的分子對a部分的吸引力，這兩部分的力一定大小相等、方向相反。這種表面層中任何兩部分間的相互牽引力，促使了液體表面層具有收縮的趨勢。由于表面張力的作用，液體表面總是趨向于盡可能縮小，因此空氣中的小液滴往往呈圓球形狀。圖2 液體表面張力示意圖表面張力的方向和

3、液面相切，并和兩部分的分界線垂直，如果液面是平面，表面張力就在這個(gè)平面上。如果液面是曲面，表面張力就在這個(gè)曲面的切面上。表面張力是物質(zhì)的特性，其大小與溫度和界面的性質(zhì)有關(guān)。表面張力f的大小跟分界線MN的長度L成正比，可寫成f = L （1）系數(shù)叫做表面張力系數(shù)，它的單位是“N/m”。在數(shù)值上表面張力系數(shù)就等于液體表面相鄰兩部分間單位長度的相互牽引力，表面張力系數(shù)與液體的溫度和純度等有關(guān)，與液面大小無關(guān)。液體溫度升高，減小，純凈的液體混入微量雜質(zhì)后，明顯減小。圖3 拉脫過程受力分析普通物理實(shí)驗(yàn)中測量表面張力的常用方法有拉脫法、毛細(xì)管法和最大泡壓法等。這里我們采用拉脫法，用硅壓阻力敏傳感器測量液體

4、的表面張力。具體測量方法是把一個(gè)表面清潔的鋁合金圓環(huán)吊掛在力敏傳感器的拉鉤上，升高升降臺使鋁合金圓環(huán)垂直浸入液體中，降低升降臺，液面下降，當(dāng)?shù)醐h(huán)底面與液面平齊或略高時(shí)，由于液體表面張力的作用，吊環(huán)的內(nèi)、外壁會帶起一部分液體，如圖3所示。平衡時(shí)吊環(huán)重力mg、向上拉力F與液體表面張力f滿足F=mg+fcos （2）吊環(huán)臨界脫離液體時(shí)，=0，即cos=1，則平衡條件近似為f=F-mg=(D1+D2) （3）式中D1、D2分別為吊環(huán)的內(nèi)徑和外徑，液體表面的張力系數(shù)為=(F-mg)/(D1+D2) （4）實(shí)驗(yàn)需測出F、mg及D1和D2。利用力敏傳感器測力，首先進(jìn)行硅壓阻力敏傳感器定標(biāo)，求得傳感器靈敏度B

5、 (mV/N)，再測出吊環(huán)在即將拉脫液面時(shí)(F=mg+f)電壓表讀數(shù)U1，記錄拉脫后(F=mg)數(shù)字電壓表的讀數(shù)U2，代入式(3)得=(U1+U2)/B(D1+D2)。 （5）四實(shí)驗(yàn)步驟1. 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備開機(jī)預(yù)熱15分鐘，清洗玻璃器皿和吊環(huán)；用游標(biāo)卡尺分別測量吊環(huán)的內(nèi)外直徑D1和D2。2硅壓阻力敏傳感器定標(biāo)（1）將砝碼盤掛在力敏傳感器的鉤上，選擇“200 mV”檔位對傳感器調(diào)零定標(biāo)。（2）每次將1 g（1個(gè)）的砝碼放入砝碼盤內(nèi)，分別記錄下數(shù)字電壓表的讀數(shù)，直至加到7 g為止，將數(shù)據(jù)記錄于表1中（待電壓表輸出基本穩(wěn)定后再讀數(shù)）。3測定表面張力在玻璃器皿內(nèi)放入待測的水并安放在升降臺上，將金屬吊環(huán)掛在力

6、敏傳感器的鉤上，吊環(huán)應(yīng)保持水平，順時(shí)針緩慢轉(zhuǎn)動升降臺使液面上升，當(dāng)?shù)醐h(huán)下沿部分全部浸入液體內(nèi)時(shí)，改為逆時(shí)針緩慢轉(zhuǎn)動升降臺使液面下降，觀察環(huán)浸入液體中及從液體中拉起時(shí)的物理過程和現(xiàn)象，特別注意吊環(huán)即將拉斷液面前一瞬間的數(shù)字電壓表讀數(shù)U1和拉斷后數(shù)字電壓表讀數(shù)U2，并記錄下這兩個(gè)數(shù)值，重復(fù)上述測量過程5次，應(yīng)的U1和U2記錄于表2中。五注意事項(xiàng)（1）力敏傳感器使用時(shí)用力不宜大于30 g，否則損壞傳感器，砝碼應(yīng)輕拿輕放。（2 器皿和吊環(huán)經(jīng)過潔凈處理后，不能再用手接觸，亦不能用手觸及液體。（3）吊環(huán)保持水平，緩慢旋轉(zhuǎn)升降臺，避免水晃動，準(zhǔn)確讀取U1和U2。（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后擦干、包好吊環(huán)。六實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1 力敏傳感器定標(biāo)砝碼質(zhì)量/g1234567輸出電壓/mV根據(jù)定標(biāo)公式U=B*mg，用最小二乘法確定儀器的靈敏度B， g=9.80 m/s2。表2 測定水的表面張力系數(shù)次數(shù)U1/mVU2/mV(U1-U2)/mV/(×10-3N/m)12345內(nèi)徑D1/mm外經(jīng)D2/mm七思考