液体表面张力系数的测定

1. 液体表面张力系数的测定 实验目的 1.用拉脱法测量室温下水的表面张力系数。 2.学习焦利氏秤的使用方法，掌握用焦利氏秤测量微小力的方法。 仪器与用具 ①焦利氏秤，②金属框，③砝码，④温度计，⑤游标卡尺，⑥螺旋测微器，⑦被测液体—自来水等。 物理实验中心

2. 实验原理 1.表面张力与表面张力系数： 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。 设想在液体表面上画一条直线，实验指出，直线两旁的液膜之间存在着相互作用的拉力，力的方向和所画直线垂直，其大小与所画直线的长成正比，即： (1) 物理实验中心

3. 图1 式中比例系数称为液体的表面张力系数，它表示单位长线段两侧液体的相互作用力，其单位是N·m-1，表面张力系数 的大小与液体的温度有关。 2.表面张力系数的测定： 如图所示：将一表面洁净的∏型细金属丝框浸入被测液体内，∏型框的中点挂在焦利秤弹簧上，使∏型框的横边恰好处于液面位置时定为弹簧的平衡位置。然后将烧杯慢慢地下移，可看到金属丝带起一层液膜，与此同时弹簧被拉长。当薄膜刚好破裂时， 物理实验中心

4. ∏型金属丝框的受力情况有以下几方面： (１)水膜自身的重力m/g很小可忽略； (２)金属丝仍处于水中的那部分体积所受到的浮力pVg，因金属丝框很细，即V很小，故也可以忽略不计； (３)金属丝框受到大气压力的合力为零； (４)“Π”形丝本身的重力。若将“Π”形金属丝框挂上之后，且使其边与水面平齐之时规定弹簧的平衡位置，则“Π”形丝的重力mg对弹簧从该平衡位置算起的伸长量也将没有贡献。在上述假定下，弹簧的伸长就只取决于表面张力F在垂直方向的分量。设接触角为 ，则该分量为： 。显然，在弹簧伸长至且使液膜刚刚破裂的瞬间，该分力应与弹簧的弹性恢复力相互平衡，即： 考虑到水与“Π”形金属丝接触角 很小， ， ；所以，可简化为： (2) 物理实验中心

5. 其中， △l表示拉膜过程中弹簧的伸长量。可见，只要测得k △l及l，即可由(2)式求出水的表面张力系数。 实验内容 1.测量弹簧的劲度系数： 按要求调节仪器，使刻有横线的小镜子穿过玻璃套筒的内部。调节底脚螺钉，使小镜子沿竖直方向振动时不与玻璃套筒发生磨擦，然后旋转手轮使小镜子上的刻线、玻璃套筒上的刻线与玻璃套筒上的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拉伸。 根据胡克定律，在弹性限度内，弹簧的伸长量与所加外力成正比，即 ： 物理实验中心

6. 式中k是弹簧的劲度系数，对一特定的弹簧，k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，即可由上式算出弹簧的k值，这一步骤称为焦利秤的校准。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 。 步骤： ①挂好弹簧、小镜子及砝码盘，调节两个地脚螺丝使焦利秤杆垂直与地面，使小镜子铅直不与玻璃套筒的内壁磨擦，然后旋动手轮，使“三线对齐”。记录游标零线所指示的主尺上的读数 ②依次在砝码盘中加入0.5 g ，1.0g ，…,4.5g 的砝码，使“三线对齐”，记下标尺上相应读数，然后再逐次取出0.5g的砝码，按上述方法记下标尺上相应的读数。求出相同拉力下读数的平均值，用逐差法求出弹簧的劲度系数 k值及其不确定度 物理实验中心

7. 参考表格2--1

8. 2.测量△l : ⑴用酒精棉擦去∏型框上的油污，再用水冲洗凉干后，挂在平面镜下端的挂钩上。将洗净的烧杯盛适当的水，放在平台上。调节∏型框缓慢下降，使∏型框的横边恰好处于液面位置，“三线对齐”，记下标尺读数。然后一只手慢慢调节平台下的螺丝使烧杯慢慢下降，另一只手慢慢调节手轮，弹簧被拉长，在这一过程中要求保持“三线对齐”，直至水膜恰好破裂为止。记下标尺上的刻度l，则： 物理实验中心

9. 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，然后把金属丝框欲要脱离而尚未脱离水膜的一瞬间的读数记录下来。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，然后把金属丝框欲要脱离而尚未脱离水膜的一瞬间的读数记录下来。 ⑵本过程要求反复测量五次。 • 参考表格2—2 物理实验中心

10. (3)用游标卡尺测量∏型框边长 l： cm (4)测量水的温度： ˚C (5)计算水的（与空气接触）表面张力系数及不确定度。 物理实验中心

11. 注意事项 1．调节焦利氏秤时一定要保证指示镜在整个测量过程中自由悬于指示管中央。 2．焦利氏秤专用弹簧不要随意拉动，或挂较重物体，以防损坏。 3．测量“Π”形丝宽度时，应放在纸上，注意防止其变形。 4．灼烧“Π”形丝时不宜使其温度过高，微红（约）即可，以防变形。灼烧之后不应再用手触摸，因“Π”形丝很小，故应防止遗失。 5．拉膜时动作要轻，尽力避免弹簧的上、下振动。为使数据测量准确，拉膜过程中动作要协调：在调节旋钮使弹簧均匀向上伸长时，需同时反时针旋转螺旋，使载物台均匀下移. 物理实验中心

12. 问题和讨论 1.什么是“三线对齐”？本实验中测量表面张力时缓慢地将∏型金属丝框从水中拉起，该过程中需要时刻保证“三线对齐”，应如何操作？ 2.实验中要求把∏型金属丝框拉到欲脱离水膜而又恰未脱离的极限状态，这是为什么？ 3.若实验过程中∏型金属丝框不是水平拉出水面，而是出现一端高一端低的倾斜现象，对实验结果有无影响？应如何避免？ 4.试用作图法得出焦利弹簧秤的劲度系数，将结果与逐差法的结果进行比较。 物理实验中心