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拉脫法測量液體的表面張力系數(shù) 石家莊鐵道大學物理實驗中心張變芳 2 主要內容 一 基本知識點二 實驗儀器三 實驗原理四 實驗內容五 實驗現(xiàn)象的受力分析 3 1 液體表面指液體與氣體 液體與固體以及別種不相混合的液體之間的界面 一 基本知識點 2 表面張力液體的表面 由于表面層 其厚度等于分子的作用半徑 約10 8cm 內分子的作用 存在著一定的張力 稱為表面張力 4 3 表面張力產生的原因液體跟氣體接觸的表面存在一個薄層 叫做表面層 表面層里的分子比液體內部稀疏 分子間的距離比液體內部大一些 分子間的相互作用表現(xiàn)為引力 就象你要把彈簧拉開些 彈簧反而表現(xiàn)具有收縮的趨勢 5 6 4 浸潤與不浸潤現(xiàn)象 當液體和固體接觸時 若固體和液體分子間的吸引力大于液體分子間的吸引力 液體就會沿固體表面擴張 形成薄膜附著在固體上 這種現(xiàn)象稱為浸潤 反之為不浸潤現(xiàn)象 接觸角 7 8 5 表面張力系數(shù) 想象在液面上劃一條直線 表面張力就表現(xiàn)為直線兩旁的液膜以一定的拉力相互作用 拉力f存在于表面層 方向恒與直線垂直 大小與直線的長度L成正比 即f L 式中 稱為表面張力系數(shù) 它等于沿液面作用在分界線單位長度上的表面張力 其單位為N m 1 它的大小與液體的成分 純度 濃度以及溫度有關 9 1 底座及調節(jié)螺絲2 升降調節(jié)螺母3 培養(yǎng)皿4 金屬片狀圓環(huán)5 硅壓阻式力敏傳感器及金屬外殼6 數(shù)字電壓表 二 實驗儀器 1 實驗裝置 10 2 硅壓阻式力敏傳感器的結構及原理 1 傳感器傳感器是將感受的物理量 化學量等信息 按一定的規(guī)律轉換成便于測量和傳輸?shù)男盘柕难b置 電信號易于處理 所大多數(shù)的傳感器是將物理量等信號轉換成電信號輸出的 11 3 原理 U B F式中 F 外力的增量B 傳感器的靈敏度 U 相應的電壓改變量 靈敏度 傳感器輸出量增量與相應輸入量增量之比 單位為mv N 它表示每增加1N的力 力敏傳感器的電壓改變量為Bmv 12 1 拉脫法測量一個已知周長的金屬圓環(huán)或金屬片從從待測液體表面脫離時所需的拉力 從而求得該液體表面張力系數(shù)的方法稱為拉脫法 所需的拉力是由液體表面張力 環(huán)的內外徑及液體材質 純度等因素決定 2 吊環(huán)法和吊片法比較 1 吊環(huán)法 使用金屬細線制成吊環(huán)時 在液膜被拉破的瞬間接觸角不接近于零 此時所測得的力是表面張力向下的分量 因而所得表面張力系數(shù)誤差較大 必須用修正公式對測量結果進行修正 三 實驗原理 13 2 吊片法 雖然液膜被拉破的瞬間接觸角趨近于零 但在具體測量時 由于吊片在拉脫過程中容易發(fā)生傾斜 實驗時吊片的長度上限為3 4cm 而在測量力時 則希望力大一點 有利于提高測量精確度 3 片狀吊環(huán) 新設計有一定厚度的片狀吊環(huán) 經過對不同直徑吊環(huán)的多次試驗 發(fā)現(xiàn)當調換直徑等于或略大于3 3cm時 在液膜被拉破的瞬間液體與金屬環(huán)之間的接觸角接近于零 此時接觸面總周長約為20cm左右 在保持接觸角為零時 能得到一個較大的待測力 14 3 實驗原理 使用片狀吊環(huán) 在液膜拉破前瞬間 考慮一級近似 認為液體的表面張力為 f f1 f2 D1 D2 這里 為表面張力系數(shù) D1 D2分別為吊環(huán)的外徑和內徑 液膜拉破前瞬間的受力分析圖 片狀吊環(huán)在液膜拉破前瞬間有 F1 mg f1 f2此時傳感器受到的拉力F1和輸出電壓U1成正比 有 U1 BF1 15 片狀吊環(huán)在液膜拉破后瞬間有 F2 mg同樣有U2 BF2片狀吊環(huán)在液膜拉破前后電壓的變化值可表示為 液膜拉破后瞬間的受力分析圖 U1 U2 U B F B F1 F2 B D1 D2 由上式可以得到液體的表面張力系數(shù)為 這里U1 液膜拉斷前瞬間電壓表的讀數(shù)U2 液膜拉斷后瞬間電壓表的讀數(shù) 16 1 實驗方法 1 接通數(shù)字電壓表及直流電源 預熱15分鐘 保證測力方向和傳感器起彈簧片的平面垂直 2 傳感器定標 掛上砝碼盤將數(shù)字電壓表調零 等質量的加砝碼 依次從電壓表讀出相應的電壓輸出值 求出傳感器的靈敏度B 3 將片狀吊環(huán)洗凈 掛在小鉤上 調節(jié)升降螺母 將其浸沒于液體中 反方向調節(jié)升降螺母 液面逐漸下降 這時 金屬環(huán)和液面形成一環(huán)形液膜 繼續(xù)使液面下降 測出液膜拉斷前瞬間電壓表的讀數(shù)U1和液膜拉斷后瞬間電壓表的讀數(shù)U2 4 計算得到傳感器的靈敏度B和液體的表面張力系數(shù) 四 實驗內容 17 2 定標 向砝碼盤內一次加不同質量的砝碼 測出相應拉力時傳感器的電壓輸出值 實驗結果見表1 靈敏度B表1力敏傳感器定標 18 自來水 19 3 實驗結果 1 自來水表面張力系數(shù)的測定 20 2 可樂表面張力系數(shù)的測定 21 E 3 結果表示 22 對整個的實驗過程 可以分為以下3個階段 五 實驗現(xiàn)象的受力分析 吊環(huán)浸沒在水中 電壓表顯示負值 反方向旋轉螺母 電壓表讀數(shù)增加 繼續(xù)旋轉讀數(shù)增加到一個最大值 繼續(xù)旋轉 讀數(shù)開始減小 減小到某一個值 液膜破裂 此時 觀察電壓表讀數(shù) 記下U1 U2 階段1 階段2 階段3 23 1 階段1的受力分析 吊環(huán)下沿浸沒在水中時 有 吊環(huán)下沿拉離水面 開始拉起液膜時 有 電壓表讀數(shù)達到最大值 此時有 這里 f為表面張力 24 達到最大值后 繼續(xù)反方向轉動調節(jié)螺母 可以發(fā)現(xiàn) 電壓表讀數(shù)開始減小 這主要是因為附著在液膜上的水在重力的作用下向下滑 所以拉力減小 2 階段2的受力分析 25 3 階段3的受力分析 在液膜拉破前瞬間有 F1 mg f1 f2 mg f 在液膜拉破后瞬間有 F2 mg 由此 可以得到液體的表面張力 液體的表面張力系數(shù) 26