液体表面张力系数的测量.doc
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1、液体表面张力系数的测定表面张力是液体表面的重要特性,它类似于固体内部的拉伸应力,这种应力存在于极薄的表面层内,是液体表面层内分子力作用的结果。液体表面层的分子有从液面挤入液内的趋势,从而使液体有尽量缩小其表面的趋势,整个液面如同一张拉紧了的弹性薄膜,我们把这种沿着液体表面,使液面收缩的力称为表面张力.作用于液面单位长度上的表面张力,称为液体的表面张力系数,测定液体表面张力系数的方法有:拉脱法、毛细管法、最大气泡压力法等。本实验采用拉脱法测定表面张力系数.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,
2、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
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
4、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
5、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,
6、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
7、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
8、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
9、,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
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