苏州大学物理实验教学中心(精)

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3. 表面张力系数
力热学实验
想象在液面上划一条直线，表面张力就表现为直
线两旁的液膜以一定的拉力相互作用。拉力 f 存在于
表面层，方向恒与直线垂直，大小与直线的长度 L
成正比，即
f ＝αL
式中α称为表面张力 系数，它等于沿液面作用 在分界线单位长度上的表 面 张 力 , 其 单 位 为 N·m-1 。 它的大小与液体的成分、 纯度、浓度以及温度有关。
焦利秤实际上是一种用于
测微小力的精细弹簧秤。结 构如右图，金属管B垂直竖立 在三角底座上，带有毫米标 尺的圆柱A套在金属套管内。 在金属管B的上端固定有副尺 H，圆柱A顶端伸出的支臂上 挂一锥形弹簧S。转动旋钮G 可使圆柱A上下移动，因而也 就调节了弹簧S的升降。弹簧 上升或下降的距离由主尺 （圆柱A）和副尺H来确定。
3. ∏型金属丝框和烧杯中的水必须保持洁净， 不要用手触摸烧杯内侧和∏型金属丝，也不要 用手触及水面。
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【思考题】
力热学实验
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？
F mg f
(1)
式中F是将Π形框拉出液面所施外力；mg为Π形框和它所沾附的 液体的总重量。由于表面张力与接触面的周长 2(l+d)成正比，故有
f 2 (l d)
(2)
式中比例系数 为表面张力系数。在液膜破裂瞬间弹簧所受的力
，
f=F-mg=kΔL
(3)
所以 F mg kL
根据伸长值和弹簧倔强系数确
定外力大小。E为平台，转动 其下端的螺钉F时平台E可升
【实验原理】
力热学实验
1.表面张力
钢针、硬币等物能漂在洁净的水表面，清晨小 草叶上的露水通常收缩成小球形状。这些现象提示， 液体表面（液气交界面）好比一层紧绷的薄膜，有 自然收缩趋势，从而导致表面张力现象。用分子论 观点看，液体表面层(约10-8cm)分子所处的环境跟液 体内部的分子不同。在液体内部，分子比较密集， 且受周围分子的作用力的矢量和为零．而处于液体 表面层的分子，一方面有被吸引入液体内部的趋势， 另一方面因为处于一边是液态（水）一边是气态 （空气）的环境，表面层内分子比较稀疏而微观相 互吸引，宏观上就呈现出表面张力现象。
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2.浸润与不浸润现象
力热学实验
在液体与固体接触处，若固体和液体分子间的 吸引力大于液体分子间的吸引力，液体就会沿固体 表面扩张，形成薄膜附着在固体上，这就是浸润； 反之，若固体和液体分子间的吸引力小于液体分子 间的吸引力，液体就不会沿固体表面扩张，不附着 在固体上，这种现象称为不浸润。
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D为固定在金属支架上一 侧刻有半圆形刻线S2的玻璃圆 筒，C为挂在弹簧S下端的两 头带钩的小平面镜，镜面上有
一刻线S1。实验时，使S1、S2 及 S2 在 小 平 面 镜 中 的 象 S2´ 三 者始终重合，简称“三线对
齐”。用这种方法可保证弹簧
下端的位置是固定的，加负载
后向上拉动弹簧确定伸长值。

1 5
[
(
x6

x7

x8

x9

x10 )

( x1

x2

x3

x4

x5 )]
其中 x 为5个峰值间的距离，即: x
5
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【注意事项】
力热学实验
1. 测量表面张力时，动作要慢，还要防止仪器 受振动。
2. 实验时要注意保护弹簧使其不受折损，不要 随意拉长或挂重物，要轻拿轻放，切忌用力拉。
并计算 u L
;
(3)计算 l 、d ，并计算 ul 、ud；
(4)计算 及u ，并将结果表示成 u
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逐差法简介
力热学实验
使用条件：等间隔、线性变化的测量数据。 优点是：充分利用各个测量数据，减小测量误差和扩大测 量范围。 例如:声速的测定实验中，用行波法测量声波波长的以下一 列数据：
力热学实验
拉脱法测定液体的表面张力系数
实验目的 仪器简介 实验原理 实验内容 注意事项 思考题
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【实验目的】
力热学实验
1. 学习焦利秤测量微小力的原理和方法。 2. 了解液体表面的性质，测定液体的表面
张力系数。
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【仪器简介】
力热学实验
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力热学实验
数据记录表2 测定液体表面张力系数
金属丝框宽度 L =
；实验温度 t =
液体 水
次 数
金属丝框未浸入 金属丝框刚好
液体时焦利氏秤 脱离液面时焦
读数
利氏秤读数
差值 S-S0
S0/m
Si /m
/m
1
2
3
4
5
表面张力系 数=kS/2L
/ N·m-1
表面张力 系数平均 值
N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 xi x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10
如果直接计算每一个波峰的距离，然后平均，有：
x

1 9
[(x2

x1)

( x3

x2
)

(
x4

x3 )


(
x10

x9 )]

1 9
( x10

x1)
可以看出只有始末两次测量值起了作用，等效于只测x1和x10 。
6 5.00
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【实验内容】
力热学实验
2.测量ΔL
把∏型框挂在平面镜下端的挂钩上。 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s0。 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si，ΔL = si ¯s0 ，反复测量五次。
/ N·m-1
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【实验内容】
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3.测量l :
把∏型框取下，用游标卡尺测量其长度， 反复测五次。
4.测量d:
把∏型框取下，用螺旋测微器测量其 细丝直径，反复测五次。
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5、数据处理
(1)逐差法计算 S 、¯k ，并计算uk ;
(2)逐差法计算L,
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数据记录表1 测定弹簧劲度系数 k
k = f /S
序号 砝码重量 增重Si
减重Si’ 平均
△S＝ Sī+3- Sī
（g） (×10-3 kg) (×10-3 kg) (×10-3 kg) (×10-3 m)
1 0.00
2 1.00
3 2.00
4 3.00
5 4.00.
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。
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(4)
2( l d ) 2( l d )
要测 ，只要测出 k、l、d、 ΔL即可。
【实验内容】
力热学实验
1.测量弹簧的倔强系数k：
① 挂好弹簧、小镜子及砝码盘， 调节 “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1.0g 的砝码，共 5个，每次“三线对齐”，记下标尺上相 应读数(加6g的读数仅供参考)，然后再逐 次取出1.0g 的砝码，记下标尺上相应的读 数。求出相同拉力下读数的平均值。
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力热学实验
如图所示：将一表面 洁净的∏型细金属丝框浸 入被测液体内，然后缓缓 拉起金属丝框，可看到金 属丝带起一层液膜，与此 同时弹簧被拉长。液膜拉 起过程中接触角θ逐渐减 小而趋向于零，当薄膜刚 好破裂时，表面张力的方 向垂直向下。
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设Π形框长为l、直径为d，脱离液体前各力平衡的条件为
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为了充分利用测量数据，减小测量误差，应采用逐差法： （1） 将测量列按次序分为高低两组
x1, x2,, x5; x6, x7 ,, x10
（2）取对应项的差值后再求平均：
x

1 5
[(
x6

x1 )

(
x7

x2
)

( x8

x3 )



( x10

x5 )]