液体表面张力系数的测定实验报告

二、实验目的 1、用拉托法测定室温下液体表面张力系数 2、学习掌握焦利式称使用方法
三、实验原理
1.液体分子受力情况 液体表面层中分子的受力情况与液体内部不同。在液体内部，分
子在各个方向上受力均匀，合力为零。而在表面层中，由于液面上方 气体分子数较少，使得表面层中的分子受到向上的引力小于向下的引 力，合力不为零，这个合力垂直于液体表面并指向液体内部，如图1 所示。所以，表面层的分子有从液面挤入液体内部的倾向，从而使得 液体的表面自然收缩，直到达到动态平衡(即表面层中分子挤入液体 内部的速率与液体内部分子热运动而达到液面的速率相等)。这时， 就整个液面来说，如同拉紧的弹性薄膜。这种沿着表面，使液面收缩 的力称为表面张力。想象在液面上划一条线，表面张力就表现为直线 两侧的液体以一定的拉力相互作用。这种张力垂直于该直线且与线的 长度成正比，比例系数称为表面张力系数。
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10. 比较逐差法与图解法处理实验数据的不同点。 逐差法需要两个物理量之中的一个必须做等间隔变化，而图解法不 受这一限制，这使得图解法在实际中应用得更广泛、更灵活;采用图 解法处理实验数据，我们更容易发现离散性较大的“不良数据 点”， 以便及时地修正或剔除，减小实验误并。更重要的是，图 解法可以更直观地反映出两个物理量 z 间的关系，有助于我们理解 和发现物理规律。因此在一般情况下，适用于逐差法的情况也适用 于图解法，但是适用于图解法的情况不一定适用于逐并法。
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（3）把盛有自来水的烧杯放在焦利氏秤载物台上，调节载物台 的微调螺丝和升降钮，使金属环浸入水面以下；
（4）同时缓慢地旋转载物台微调螺丝和升降钮，注意烧杯下降 和金属杆上升时，始终保持三线对齐。当液膜刚破裂时，记下金属杆 的读数。测量 6 次，取平均，计算自来水的表面张力系数；
五、实验数据
1.弹簧倔强系数的测量
重复测量金属环脱离液面时米尺的读数数据表格：
测量次数
1
2wenku.baidu.com
3
4
5
h1/cm h1 的平均值
/cm
3.44
3.41
3.44 3.42 3.43
3.40
6 3.47
被测液体表面的张力系数α= k×(—h1 -h0) =0.073 π×(D1+D2)
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实验报告正文
成绩：
一、实验名称 液体表面张力系数的测定
焦利氏秤由固定在底座上的秤框、可升降的金属杆和锥形弹簧秤 等部分组成，如图3所示。在秤框上固定有下部可调节的载物平台、 作为平衡参考点用的玻璃管和作弹簧伸长量读数用的游标；升降杆位 于秤框内部，其上部有刻度，用以读出高度，框顶端带有螺旋，供固 定锥形弹簧秤用，杆的上升和下降由位于秤框下端的升降旋钮控制； 锥形弹簧秤由锥形弹簧、带小镜子的金属挂钩及砝码盘组成。带镜子 的挂钩从平衡指示玻璃管内穿过，且不与玻璃管相碰。
6
重复测量金属框脱离液面时米尺的读数数据表格：
测量次数
1
2
3
4
5
6
h1/cm
11.02 10.92 10.89 11.04 11.00 10.94
h1 的平均值 /cm
10.97
被测液体表面的张力系数α=k×(—h1 -h0)=0.534 2×(L+d)
3.金属环测量液体表面的张力系数 游标卡尺测量金属环外直径 D1= 2.200 cm，内直径 D2= 2.000 cm。 金属环在空气中三线对齐时米尺的初始读数 h0=2.37 cm。
（1）测量前焦利氏秤的安装和调节 调节支架底座的底脚螺丝，使秤框竖直，弹簧自然下垂并与升降 杆平行，使小平面镜在玻璃管中心，不与管壁相碰，将砝码托盘放到 焦利氏秤挂钩上； （2）测量数据 逐次向砝码托盘内放入砝码，调节升降钮，使三线对齐，分别记 下对应砝码个数为 1、2、3、4、5、6 时刻度尺的读数，再逐次减少 砝码，记录刻度尺读数；用逐差法或作图法处理数据，计算弹簧的倔 强系数； 2. 用金属框测量液体的表面张力系数 （1）用游标卡尺测量金属框横梁的长度； （2）用螺旋测微器测量金属框金属丝的直径； （3）取下砝码，将金属框挂到砝码托盘挂钩上，仍保持三线对 齐，记下刻度尺读数； （4）把盛有自来水的烧杯放在焦利氏秤载物台上，调节载物台 的微调螺丝和升降钮，使金属框浸入水面以下； （5）同时缓慢地旋转载物台微调螺丝和升降钮，注意烧杯下降 和金属杆上升时，始终保持三线对齐。当液膜刚破裂时，记下金属杆 的读数。测量 6 次，取平均，计算自来水的表面张力系数； 3. 用金属环测量液体的表面张力系数 （1）用游标卡尺分别测量金属环外径和内径； （2）取下金属框和砝码托盘，将金属环挂到焦利氏秤挂钩上， 仍保持三线对齐，记下刻度尺读数；
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原始数据记录
成绩：
1.弹簧倔强系数的测量
砝码数量
1
2
3
4
5
6
增加一个砝码
时米尺的读数 10.78 11.30 11.80 12.36 12.90 13.40
/cm
减少一个砝码
时米尺的读数 10.78 11.30 11.80 12.38 12.88 13.40
/cm
平均值/cm 10.78 11.30 11.80 12.37 12.89 13.40
砝码数量
1
2
3
4
5
6
增加一个砝码
时米尺的读数 10.78 11.30 11.80 12.36 12.90 13.40
/cm
图3 焦利氏秤装置图 1-秤框；2-升降金属杆；3-金属杆高度调节按钮；4-锥形弹簧；5带小镜子的挂钩；6-平衡指示玻璃管；7-载物台；8-载物台调节螺丝；
9-底脚螺丝； 焦利氏秤和普通的弹簧秤有所不同：普通的弹簧秤是固定上端，
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通过下端移动的距离来称衡，而焦利氏秤则是在测量过程中保持下端 固定在某一位置，靠上端的位移大小来称衡。其次，为了克服因弹簧 自重引起弹性系数的变化，把弹簧做成锥形。由于焦利氏秤的特点， 在使用中应保持让小镜中的指示横线、平衡指示玻璃管上的刻度线及 其在小镜中的像三者对齐，简称为三线对齐，作为弹簧下端的固定起 算点。 四、实验内容 1. 用逐差法求弹簧的倔强系数
张力f的大小与分界线的长度成正比。由于表面张力 与接触面的周长
成正比，即
，所以由(2)式得：
(3)
因此，只要通过实验测出拉力 、 及 和 ，代入(3)式，即可求 出水的表面张力系数 。
实验时，可用—“ ”型金属框架来代替金属薄片。这时， 为 金属框架横梁的长度， 为金属丝的直径。
(3)式中，若 、 的单位为 ， 、 的单位为N， 的单位为 ， 的单位为 ， 称为表面张力系数，单位是N/m。表面张力系数与液
F （m m0）g 2 f
(1)
式中，m 为粘附在吊环上的液体的质量，m0 为吊环质量,因表面张力
的大小与接触面周边界长度成正比，则有
2f (D内 D外) *
(2)
比例系数 a 称为表面张力系数，单位是 N/m。a 在数值上等于单位长
度上的表面张力。.式中 l 为圆筒形吊环内、外圆环的周长之和。
物理实验报告
实验名称：液体表面张力系数的测定 学院：安全与应急管理工程学院 专业班级： 安全 1802 学号： 2018003964 学生姓名： 王朝春
实验成绩
1
实验预习题
成绩：
1. 什么是液体的表面？ 液体与气体、液体与固体以及不相混合的液体之间的界面。
2. 液体表面的分子具有什么特点(表面张力产生的原因)？ 表面层里的分子要比液体内部稀疏些,也就是分子间的距离比液体
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体的性质有关，密度小而易挥发的液体 小，反之 较大；表面张力系 数还与杂质和温度有关，液体中掺入某些杂质可以增加 ，而掺入另 一些杂质可能会减少 ；温度升高，表面张力系数 将降低。 3. 焦利氏秤工作原理
测定表面张力系数的关键是测量表面张力 。用普通的弹簧称是 很难迅速测出液膜即将破裂时的 的，应用焦力氏秤则克服了这一困 难，可以方便地测量表面张力 。
用逐差法处理数据，求弹簧的倔强系数 k
6mg+5mg+4mg-3mg-2mg-mg
k=
=0.923kN/m
L6+L5+L4-L3-L2-L1
2.金属框测量液体表面的张力系数 游标卡尺测量金属框的长度 L= 4.500 cm；螺旋测微器测量金属框金 属丝的直径 d=0.0786 cm；移除砝码，金属框和砝码金属框和砝码 托盘在空气中三线对齐时米尺的初始读数 h0= 10.44 cm。
F (m m0)g (D内 D外)
（3）
由于金属膜很薄，被拉起的液膜
也很薄，m 很小可以忽略，于是
公式简化为
F m0g (D内 D外)
（4）
6. 焦利氏秤和普通的弹簧秤有所不同？ 一般的弹簧秤，弹簧的上端固定不动，在弹簧下端挂重物时，弹簧则
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伸长，物体重量可由指针所指示的标尺直接标出。而焦利氏秤上的弹 簧是挂在可以上下移动的有刻度的管子上的，管外面套有外管，外管 上有游标，旋转旋钮即可使管上下移动。在外管上，有夹子，夹子中 央有带标线的短玻璃管，弹簧下端挂一细金属杆，金属杆中部有一长 形小镜，镜中央有一刻痕，金属杆从玻璃管中通过，在金属杆的下端 可挂砝码托盘与钢丝码。 7. “三线对齐”是哪三线？为什么要这样做？ “三线对齐”指标镜上的刻线，玻璃管上的刻线和玻璃管上刻线在镜 中的像。 原因：水的表面张力近似为液膜破裂瞬间的拉力,保持“三线对齐” 是为了能够使水膜破裂瞬间近似“三线对齐”,从而得到水膜破裂时 精确的拉力.使能准确测出该拉力大小,减少实验误差 8. 焦利氏秤测定液体的表面张力有什么优点？ 测定表面张力系数的关键是测量表面张力 F' ，用普通的弹簧是很难迅 速测 出液膜即将破裂时的 F 的，应用焦利氏秤则克服了这一困 难， 可以方便地测量表 面张力 F' ，并且焦利氏秤的劲度系数较小， 有游标卡尺式的读数尺，故测量精度高。 9. 千分尺是否存在系统误差如何判断？如何调零？ 检查游标卡尺零位误差：清洁卡爪两测量面,轻推游标框,使两测量面 接触,观察主尺零线（第一条刻度线）与游标零线是否重合；检查千 分尺（外径）零位误差：0-25mm,清洁测量面,旋转套筒使测量面接触, 通过旋转套筒尾部的测
内部大些.在液体内部,分子间既存在着引力,又存在着斥力,引力和 斥力的数量级相同,在通常的条件下可以认为它们的大小是相等的. 在表面层里,分子间的距离大,分子间的相互作用表现为引力.所以存 在着表面层液体各部分间相互吸引的力 3. 液体表面张力系数是怎么定义的？
热力学对表面张力系数的广义定义为：表面张力系数σ是在温度 T 和压力 p 不变的情况下吉布斯自由能 G 对面积 A 的偏导数 4. 液体表面张力系数与哪些因素有关？ （1）液体不同表面张力系数不同。例如，密度小的，容易蒸发的液 体表面张力系数小，如液氢和液氦；已熔化的金属表面张力系数则很 大；（2）表面张力系数随温度的升高而减小，近似地为一线性关系； （3）表面张力系数的大小还与相邻物质的化学性质有关；（4）表面 张力系数还与杂质有关，加入杂质可促使液体表面张力系数增大或减 小。一般说来醇、酸、醛、酮等有机物质大都是表面活性物质，比水 的表面张力系数小得多。 5. 简述拉脱法测量液体表面张力系数的原理(用矩形金属薄片或金
属环时，表面张力系数的具体表达式)。
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如果将一洁净的圆筒形吊环浸入液体中，然后缓慢地提起吊环，圆
筒形吊环将带起一层液膜。使液面收缩的表面张力 f 沿液面的切线
方向，外角 称为湿润角(或接触角)。当继续提起圆筒形吊环时，
角逐渐变小而接近为零,这时所拉出的液膜的波面一液面里、外两个
表面的张力 f 均垂直向下，设拉起液膜破裂时的拉力为 F,则有
图2 金属框受力示意图
其中 为水面与金属片侧面的夹角，称为接触角。如果金属片静
止，则竖直方向上合力为零，有
在金属片临脱离液体时， ，即
(1) ,则F应当是金属丝重
力 与薄膜拉引金属丝的表面张力之和,则平衡条件变为：
(2) 显然表面张力 是存在于液体表面上任何一条分界线两侧间的液
体的相互作用拉力，其方向沿着液体表面，且垂直于该分界线。表面
图1 液体分子受力示意图
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2. 矩形金属框架测量原理 将一表面清洁的矩形金属薄片竖直浸入水中，使其底面水平并轻
轻提起。当金属片底面与水面相平，或略高于水面时，由于液体表面 张力的作用，金属片的四周将带起一部分水，使水面弯曲，呈图2所 示的形状。这时，金属片在竖直方向上受到金属片的重力 ；向上的 拉力F；水表面对金属片的作用力—表面张力 。