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1、苏州大学物理实验教学中心 力热学实验 拉脱法测定液体的表面张力系数 实验目的 实验原理 实验内容 注意事项 思 考 题 仪器简介 苏州大学物理实验教学中心 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。 【实验目的】 苏州大学物理实验教学中心 力热学实验 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
2、距离由主尺（ 圆柱A）和副尺H来确定。 【仪器简介】 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。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可升降。 苏州大学物理实验教学中心 力热学实验 【实验原理】 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
3、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。 1.表面张力 苏州大学物理实验教学中心 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
4、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。 2.浸润与不浸润现象 苏州大学物理实验教学中心 力热学实验 3. 表面张力系数 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 f L L 式中称为表面张力 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Nm-1。 它的大小与液体的成分、 纯度、浓度以及温度有关 。 苏州大学物理实验教学中心 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
5、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。 设形框长为l、直径为d，脱离液体前各力平衡的条件为 式中F是将形框拉出液面所施外力；mg为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 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在液膜破裂瞬间弹簧所受的力 ， (3)(3) (2)(2) 所以所以 (1) (1) 要测要测，只要测出，只要测出 k、l、d、 L即可。 f=F-mg=kL (4)(4) 苏州大学物理实验教学中心 力热学实验 1.测
6、量弹簧的倔强系数k： 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。 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。 【实验内容】 苏州大学物理实验教学中心 力热学实验 数据记录表1 测定弹簧劲度系数 k 序号砝码重量 （g） 增重Si (10-3 kg) 减重Si (10-3 kg) 平均 (10-3 kg) S S+3- S (10-3 m) 10.00 21.00 32.00 43.00 54.00.
7、65.00 k = f /S 苏州大学物理实验教学中心 力热学实验 2.测量L 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，L = si s0 ，反复测量五次。 【实验内容】 苏州大学物理实验教学中心 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 次 数 金属丝框未浸入 液体时焦利
8、氏秤 读数 S0/m 金属丝框刚好 脱离液面时焦 利氏秤读数 Si /m 差值 S-S0 /m 表面张力系 数=kS/2L / Nm-1 表面张力 系数平均 值 / Nm-1 水1 2 3 4 5 苏州大学物理实验教学中心 力热学实验 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 d: : 把型框取下，用螺旋测微器测量其 细丝直径，反复测五次。 【实验内容】 苏州大学物理实验教学中心 力热学实验 5、数据处理 (1)逐差法计算 、 ，并计算 ; (2)逐差法计算 , 并计算 ; (3)计算 、 ，并计算 、 ； (4)计算 及 ，并将结果表示成 苏州大学物理实
9、验教学中心 力热学实验 N12345678910 xix1x2x3x4x5x6x7x8x9x10 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： 逐差法简介 如果直接计算每一个波峰的距离，然后平均，有： 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 。 苏州大学物理实验教学中心 力热学实验 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 ; （2）取对应项的差值后再求平均： 其中 为5个峰值间的距离，即: 苏州大学物理实验
10、教学中心 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 。 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。 【注意事项】 苏州大学物理实验教学中心 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？ 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。 【思考题】 苏州大学物理实验教学中心 力热学实验 知识回顾知识回顾 Knowledge Knowledge ReviewReview
