液体表面张力系数的测定doc.DOC

佛山科学技术学院实验室开放基金项目

研究报告

项目名称：液体表面张力系数的测定

申请者：李京玲吕咏思朱家欢蔡小玲朱绍进刘本明所在学院：理学院

指导老师：

类别：

■自然科学类学术论文

☐哲学社会科学类社会调查报告和学术论文

☐科技发明制作A

□科技发明制作B

液体表面张力系数的测定

姓名：李京玲吕咏思朱家欢蔡小玲朱绍进刘本明班级：10物理学（师范）

摘要：

关键词：液体表面张力

引言

有时候，我们会觉得很奇怪，为什么有的笑昆虫能在液体上自由自在的行走？为什么银针能在水面上浮着而不沉下去呢？为什么少量水银在干净的玻璃版上会收缩成球冠状，而水却会扩张开来？等等的这些原因，激起我们想要研究液体表面张力的动力。

【实验目的】

1.掌握用焦利秤测量微小力的原理和方法。

2.用拉脱法测量室温下水的表面张力系数。

【实验仪器】

约利弹簧秤、砝码、烧杯、金属框、游标卡尺等。

【实验原理】

液体分子之间存在分子力，其有效作用半径约10-8cm。液体表面层内的分子所处的环境和液体内部分子不同。液体内部每个分子四周都被同类的其他分子所包围，它受到周围分子的合力为零。但处于液体表面层内的分子，由于液体上方为气相，分子数很少，因而表面层内每个分子受到向上的引力比向下的引力少，合力不为零，即液体表面处于张力状态。表面分子有从液面挤入液体内部的倾向，使液面自然收缩，直到处于动态平衡，即在同一时间内脱离液面挤入液体内部的分子数和因热运动而到达液面的分子数相等为止。因而，在没有外力作用时液滴总是呈球形，即是其表面积缩到最小。

表面张力的大小可以用表面张力系数来描述。

设在液面上作一厂为L的线段，此线段两侧的液体之间存在着互相牵引的力f，这种力的方向恒与线段垂直，大小与线段长度L成正比，即

F=ɑL (1)

其比例系数ɑ为液体表面张力系数，定义为作用在单位长度上的表面张力，单位为N/m。实验证明，表面张力系数ɑ的大小与液体的种类、纯度、温度和它上方的气体成分有关，温度越高，液体中所含杂质越多，则表面张力系数越小。

【实验方法】

测量液体表面张力系数的方法有很多，例如：

毛细管上升法

测定原理：将一支毛细管插入液体中, 液体将沿毛细管上升, 升到一定高度后, 毛细管内外液体将达到平衡状态, 液体就不再上升了。此时, 液面对液体所施加的向上的拉力与液体向下的力相等。则表面张力：

γ=ρghr/(2cosθ)

式中γ为表面张力, r 为毛细管的半径, h 为毛细管中液面上升的高度, ρ为测量液体的密度, g 为当地的重力加速度, θ为液体与管壁的接触角。

Wilhelmy 盘法

用铂片、云母片或显微镜盖玻片挂在扭力天平或链式天平上, 测定当片的底边平行面刚好接触液面时的压力, 由此得表面张力, 公式为:

式中,W 总为薄片与液面拉脱时的最大拉力,W片为薄片的重力, l 为薄片的宽度, 薄片与液体的接触的周长近似为2l, φ为薄片与液体的接触角

悬滴法

悬滴法是根据在水平面上自然形成的液滴形状计算表面张力。在一定平面上, 液滴形状与液体表面张力和密度有直接关系。由Laplace 公式, 描述在任意的一点P 曲面内外压差为：

式中R1, R2 为液滴的主曲率半径; z 为以液滴顶点O 为原点, 液滴表面上P 的垂直坐标; P0 为顶点O 处的静压力。

定义：S= ds/de

式中de 为悬滴的最大直径, ds 为离顶点距离为de 处悬滴截面的直径

式中b 为液滴顶点O 处的曲率半径。此式最早是由Andreas, Hauser 和Tucker[15]提出, 若相对应与悬滴的S 值得到的1/H 为已知, 即可求出表( 界) 面张力。应用Bashforth-Adams 法, 即可算出作为S 的函数的1/H 值。因为可采用定期摄影或测量ds/de 数值随时间的变化, 悬滴法可方便地用于测定表( 界) 面张力。

滴体积法

当一滴液体从毛细管滴头滴下时, 液滴的重力与液滴的表面张力以及滴头的大小有关。Tate首先提出了表示液滴重力(mg) 的简单关系

式:mg=2πrγ,实验结果表明, 实际体积比按式( 7) 式计算的体积小得多。因此Harkins 就引入了校正因子

, 则更精确的表面张力可以表示为:

其中m 为液滴的质量, V 为液滴体积, f 为校正因子, 可查表得到[16, 23]。只要测出数滴液体的体积, 利用( 13) 式就可计算出该液体的表面张力。

【拉脱法测量表面张力系数】

液体的表面张力是表征液体性质的一个重要参数．测量液体的表面张力系数有多种方法，拉脱法是测量液体表面张力系数常用的方法之一．该方法的特点是，用秤量仪器直接测量液体的表面张力，测量方法直观，概念清楚．用拉脱法测量液体表面张力，对测量力的仪器要求较高，由于用拉脱法测量液体表面的张力约在1×10-3～1×10-2 N之间，因此需要有一种量程范围较小，灵敏度高，且稳定性好的测量力的仪器．

所以，我们小组就选择用拉脱法利用约利弹簧秤来测定液体表面张力系数。

拉脱法利用约利弹簧秤来测定液体表面张力系数:

可将细金属丝制图如下左图的金属框，放在水中，将金属框丝缓慢提起可以看到金属框将要离开水面时，金属丝和液面间形成一层薄膜，如下右图示，图中画出的是金属丝的纵断面。当拉力超过某定值时，液体薄膜就会破裂。当液体薄膜将要破裂但尚未破裂时，表面张力f的方向将会随着液面方向的改变而改变，接触角逐渐减少而趋向于零。作用在金属框上的拉力F，mg及表面张力f处于平衡状态，故有

F=mg+2f (2)

式中mg为金属框和它所沾附的液体的总重量，接触角为金属丝接触处的液体薄膜的切面个铅直面间的交角称为接触角。乘2是由于金属丝两侧都有液体薄膜的缘故。设金属丝的直径为d，金属框的宽为L,则由(1)式得