表面张力系数实验

液体表面张力系数的测定

（物理教学与实验中心 于舸）

液体沿表面总是存在着使液面紧张且向液体内收缩的力称为表面张力。液体的许多现象，如毛细管现象、湿润现象、泡沫的形成等，都与表面张力有关。表面张力系数是表征液体性质的一个重要参数。对于不同种类的液体，其表面张力不同，而对于同一种液体，其表面张力系数随着温度及其所含杂志的改变而增大或减小。这些性质广泛应用于工业生产中，如浮法选矿、液体的传输技术、化工生产线的设计等等都要对液体的表面张力进行研究。

测定液体表面张力系数的方法很多。常用的有拉脱法和毛细管升高法。本次实验介绍用拉脱法测定液体表面张力系数。 【实验目的】

1. 学习FO-NST-B 型液体表面张力系数测定仪的使用方法；

2. 用拉脱法测定室温下液体的表面张力系数；

3. 掌握使用计算机软件进行数据处理。 【实验原理】

液体分子之间存在相互作用力，称为分子力。液体内部每一个分子周围都被同类的其他分子包围，它所受到的周围分子的作用，合力为零。而液体的表面层（其厚度等于分子的作用半径，约cm 8

10-左右）内的分子所处的环境跟液体内部的分子缺少了一半和它吸引的分子。由于液体上的气相层的分子数很少，表面层内每一个分子受到向上引力比向下的引力小，合力不为零，出现一个指向液体内部的吸引力，所以液面具有收缩的趋势。这种液体表面的张力作用，被称为表面张力。

表面张力f 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，其方向沿液体表面，且恒与分界线垂直，大小与分界线的长度成正比，即

L f α= （1）

式中α称为液体的表面张力系数，单位为N ⋅M -1，在数值上等于单位长度上的表面张力。试验证明，表面张力系数的大小与液体的温度、纯度、种类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。

将外径为D 1，内径为D 2的金属环悬挂在测力计上，然后把它浸入盛水的玻璃器皿中。当缓慢地向上金属环时，金属环就会拉起一个与液体相连的水柱。由于表面张力的作用，测力计的拉力逐渐达到最大值F （超过此值，水柱即破裂），则F 应当是金属环重力G 与水柱拉引金属环的表面张力f 之和，即

f G F += （2）

由于水柱有两个液面，且两液面的直径与金属环的内外径相同，则有

)(21D D f +=απ （3）

则表面张力系数为

)

(21D D f

+=

πα （4）

表面张力系数的值一般很小，测量微小力必须用特殊的仪器。本实验用FO-NST-B 型液体表面张力系数测定仪进行测量。FO-NST-B 型液体表面张力系数测定仪用到的测力计是硅压阻力敏传感器，该传感器灵敏度高，线性和稳定性好，以数字式电压表输出显示。

若力敏传感器拉力为F 时，数字式电压表的示数为U ，则有

k

U

F =

（5） 式中k 表示力敏传感器的灵敏度，单位V/N 。

吊环拉断液柱的前一瞬间，吊环受到的拉力为f G F +=1；拉断时瞬间，吊环受到的拉力为G F =2。 若吊环拉断液柱的前一瞬间数字电压表的读数值为U 1，拉断时瞬间数字电压表的读数值为U 2，则有 k

U U F F f 2

121-=-= （6）故表面张力系数为

k

D D U U D D f )()(212

121+-=+=

ππα （7）

【实验仪器】

FO-NST-B 型液体表面张力系数测定仪、游标卡尺、片码、铝合金吊环、吊盘、玻璃器皿、镊子。

【实验内容与步骤】

1. 开机预热15分钟；

2. 清洗玻璃器皿和吊环；

3. 调节支架的底脚螺丝，使玻璃器皿保持水平；

4. 测定力敏传感器的灵敏度

① 预热15分钟以后，在力敏传感器上吊上吊盘，并对电压表清零；

②将7个质量均为0.5g的片码依次放入吊盘中，分别记下电压表的读数U1~U7；再依次从吊盘中取走片码，记下读数U7~U1。将数据填入表1中。

5. 测定水的表面张力系数

①将盛水的玻璃器皿放在平台上，并将洁净的吊环挂在力敏传感器的小钩上，并对电压表清零；

②逆时针旋转升降台的大螺帽使玻璃器皿中液面上升，当环下沿部分均浸入液体中时，改为顺时针转动该螺帽，这时液面往下降。观察环浸入液体中及从液体中拉起时的物理现象。记录吊环拉断液柱的前一瞬间数字电压表的读数值U1，拉断时瞬间数字电压表的读数值U2。重复测量5次。

③用游标卡尺测量吊环的内、外直径（单次测量）。

【注意事项】

1. 吊环应严格处理干净。可用酒精洗净油污或杂质后，用清洁水冲洗干净，并用热吹风烘干。

2. 必须使吊环保持竖直，以免测量结果引入较大误差。

3. 实验之前，仪器须开机预热15分钟。

4. 在旋转升降台时，尽量不要使液体产生波动。

5. 实验室不宜风力较大，以免吊环摆动致使零点波动，所测系数不准确。

6. 若液体为纯净水，在使用过程中防止灰尘和油污以及其它杂质污染。特别注意手指不要接触被测液体。

7. 玻璃器皿放在平台上，调节平台时应小心、轻缓，防止打破玻璃器皿。

8. 调节升降台拉起水柱时动作必须轻缓，应注意液膜必须充分地被拉伸开，不能使其过早地破裂，实验过程中不要使平台摇动而导致测量失败或测量不准。

9. 使用力敏传感器时用力不大于0.098N。过大的拉力传感器容易损坏。

10. 实验结束后须将吊环用清洁纸擦干并包好，放入干燥缸内。

【数据记录及处理】

1. 力敏传感器的灵敏度k的测定

表1 力敏传感器的灵敏度k的测定

用最小二乘法作直线拟合，求出传感器灵敏度k和线性相关系数r。