实验五液体表面张力系数的测定.docx
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实验五液体表面张力系数的测定
实验五液体表面张力系数的测定
实验目的:
1、了解液体表面性质。
2、熟悉用拉脱法测定表面张力系数的方法。
3、熟悉用焦利弹簧秤测量微小力的方法。
实验仪器:
焦利弹簧秤,被测液体,游标卡尺,矩形金属框,烧杯,砝码及托盘等
实验原理:
1、面张力的由来
假设液体表面附近分子的密度和内部一样,它们的间距大体上在势能曲线的最低点,即相互处在平衡的位置上。
由图
(1)可以看出,分子间的距离从平衡位置拉开时,分子间的吸引力先加大后减小,在这儿只涉及到吸引力加大的一段,如图
(2)所示,设想内部某个分子
欲向表面迁徙,它必须排开分子1、2,并克服两侧分子3、4和后面分子5对它的吸引力。
用势能的概念来说明,就是它处在图(3)左边的势阱中,需要有大小为
的激活能才能越过势垒,跑到表面去。
然而表面某个分子
要想挤向内部,它只需排开分子
和克服两侧分子
的吸引力即可,后面没有分子拉它。
所以它所处的势阱(图(3)中右边的那个)较浅,只要较小的激活能
就可越过势垒,潜入液体内部。
这样一来,由于表面分子向内扩散比内部分子向表面扩散来得容易,表面分子会变得稀疏了,其后果是它们之间的距离从平衡位置稍为拉开了一些,于是相互之间产生的吸引力加大了,这就是图(3)右边所示的情况。
此时分子
需克服分子
对它的吸引力比刚才大,从而它的势阱也变深了,直到
变得和
一样时,内外扩散达到平衡。
所以在平衡状态下液体表面层内的分子略为稀疏,分子间距比平衡位置稍大,在它们之间存在切向的吸引力。
这便是表面张力的由来。
在刚才的讨论中未考虑液面外是否有气体。
如果有,则分子
背后有气体的分子拉它,这显然会使上述差距减小,从而减小表面张力。
事实也确实如此。
如果液面外只是它的饱和蒸气,当温度逐步上升到临界点时,饱和蒸气的密度增到与液态的密度相等,液面两侧的不对称性消失,表面张力也就消失了。
2、实验设计
我们设想在液面上作一长为
的线段,则表面张力的作用就表现在线段两边的液体以一定的力
相互作用,且作用力的方向与
垂直,其大小与线段的长度成正比。
即
,式中
为液体的表面张力系数,即作用于液面单位长度上的表面张力。
采用拉脱法测定液体的表面张力系数是直接测定法,通常采用物体的弹性形变来量度力的大小。
若将一个矩形细金属丝框浸入被测液体内,然后再慢慢地将它向上拉出液面,可看到金属丝带出一层液膜,如图(4)所示。
设金属丝的直径为
,拉起液膜将破裂时的拉力为
,膜的高度为
,膜的宽度为
,因为拉出的液膜有前后两个表面,而且其中间有一层厚度近似为
的被测液体,且这部分液体有自身的重量,故它所受到的重力为
(由于金属丝的直径很小,所以这一项很小,一般忽略不计),所受表面张力为
,故有
或变形为
(1)
式中,
为被测液体的密度,
为当地重力加速度,
为金属框所受重力与浮力之差。
从式
(1)可以看出,只要实验测定出
等物理量,由式
(1)便可算出液体的表面张力系数
。
显然,
都比较容易测,只有
是一个微小力,用一般的方法难以测准。
故本实验的核心是测量这个微小力
,利用焦利弹簧秤测量。
表面张力系数与液体的种类、纯度、温度和液体上方的气体成分有关。
实验表明,液体的温度约高,
的值约小;所含杂质越多,
的值也越小。
3、仪器介绍
如图(5)所示,焦利秤实际上是一个精细的弹簧秤,是测量微小力的仪器。
在直立的金属套筒内设有可上下移动的金属杆,1的上端设有游标2,1的横梁上悬一根细弹簧8, 8下端挂有圆柱形10并有水平刻线G,(也称指标杆G),G的下方设一小钩,用来悬挂砝码盘或矩形金属丝框架。
金属套筒的中下部附有刻有横线的玻璃套筒9和能够上下移动的平台6。
金属套筒的下端设有旋钮4,转动4可使金属杆1上下移动,移动的距离由1上的刻度和游标2来确定。
使用时,先照图(5)正确安装仪器,使带横线的小镜子10穿过玻璃套筒9的内部,并使镜面朝外.调节底座上的螺钉,使小镜子10沿竖直方向振动时不与玻璃套筒9发生摩擦.然后应旋转旋钮4,使小镜子10上的刻线与玻璃套筒9上的刻线以及9上刻线在小镜子里的像三者相互对齐,即所谓“三线对齐”。
用这种方法保证弹簧的下端的位置是固定不变的,而弹簧的上端可以向上沿伸,需要确定弹簧的伸长时,可由1上的米尺和游标2来确定(即伸长前、后两次的读数之差值)。
根据胡克定律,在弹性限度内,弹簧的伸长量
与所加的外力
成正比,即
,式中
是弹簧的劲度系数,对一特定的弹簧,
值是确定的。
如果我们将已知重量的砝码加在砝码盘中,测出弹簧的伸长量,即可算出弹簧的
值,这一步骤称为焦利秤的校准。
使用焦利秤测量微小力时,应先校准。
利用校准后的焦利秤,就可测出弹簧的伸长量,从而求得作用于弹簧上的外力
。
弹簧的劲度系数越小,就越容易伸长,即弹簧越细,各螺旋环的半径越大,弹簧的圈数越多,
值就越小,弹簧越容易伸长。
同时弹簧材料的切变模量越小,弹簧越容易伸长。
选用
值小的弹簧,其测量微小力的灵敏度就高。
所以本实验中,一定要在有关实验人员的指导下得知弹簧的最大负荷值,并且在使用、安装过程中一定要轻拿轻放,倍加爱护。
实验内容与步骤:
1、按照图(5)挂好弹簧、小镜子10及砝码盘,调节三角底座上的螺钉使小镜子10铅直(即小镜子10与
玻璃套筒9的内壁不摩擦)。
然后转动旋钮4,使“三线对齐”(观察时眼睛要与玻璃套筒上的水平线等高)。
记录游标零线所指示的米尺上的读数
。
2、依次将实验室给定的砝码加在砝码盘内,逐次增加至0.5g,1.0g,…,3.5g(每加一次均需要转动旋钮4,重新调到“三线对齐”),分别记录1柱上米尺的读数
,并在表
(1)中记录数据,然后依次减去0.5g砝码,步骤同上,用逐差法求弹簧的劲度,再算出劲度系数是的平均值及其不确定度。
3、用酒精棉球仔细擦洗矩形金属丝框架,然后挂在砝码盘下的小钩上,转动旋钮4,重新使“三线对齐”,记录游标零线所指示的米尺读数
。
4、将盛有多半杯蒸镏水的烧杯置于平台上,转动平台下端的螺丝5,使矩形形金属丝框先浸入水中,然后缓慢地调节螺丝5使平台慢慢下降,直至矩形金属丝横臂高出水面,此时水的表面张力作用在矩形金属丝上,小镜子10上的弹簧受到向下的表面张力的作用也随之伸长,这样小镜子上的刻线G也随着下降,使“三线”不再对齐。
眼睛对准玻璃套筒上的水平刻线D,用另一只手缓缓向上旋动旋钮4,使“三线”重新对齐,同时调节平台调节旋钮5使之再下降,直到矩形金属丝框架下的水膜刚要断裂止(或刚刚断裂)。
先观察几次水膜在调节过程中不断被拉伸、最后破裂的现象。
然后再把金属丝框架欲要脱离而尚未脱离水膜的一瞬时的米尺1上的读数
记录下来。
5、重复步骤3和4五次,测出弹簧的平均伸长
及其不确定度,
则
。
6、记录实验前后的水温,以平均值作为水的温度。
测量矩形金属丝横臂的长度
、直径
的数值,并计算。
的值及其不确定度。
数据处理
表
(1)用逐差法求
质量m
(10-3kg)
增重位置
(10-2m)
减重位置
(10-2m)
平均位置
(10-2m)
(10-2m)
( )
( )
( )
其中
表
(1)求
(单位:
10-2m)
( )
( )
其中
( )
( )m
( )m
( )m
( )m
( )
测量结果:
( )
( )%
( )
结果表示:
( )
( )%
注意事项
1、实验时矩形金属丝框不能倾斜,否则,矩形框拉出水面时液膜将过早地破裂,给实验带来误差。
2、矩形金属丝先用酒精灯烧红,再清洗后不允许手碰。
3、焦利秤中使用的弹簧是易损精密器件,要轻拿轻放,切忌用力拉。
思考题
1、什么“三线对齐”?
本实验中测量表面张力时缓慢地将矩形金属丝从水中拉起,该过程中需要时刻保证“三线对齐”,应如何操作?
2、验中测量表面张力时缓缓地将矩形金属丝水平地拉出水面,如何避免倾斜?
为什么要将矩形金属丝拉到将要脱离而又未脱离水膜的极限状态?
3、测量金属丝框的宽时,应测它的内宽还是外宽?
为什么?
4、试用作图法求焦利弹簧秤的劲度系数,将结果与逐差法的结果进行比较。
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