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1、液体表面张力系数的测定张宜良（材料科学与工程学院 2012级5班 学号：201200150298）摘要：本实验利用硅压力敏传感器将非电量间接地表达为电量，创新了测量微小拉力的方法。关键词：表面张力系数；分子力；力敏传感器；拉脱法引言：液体的许多现象与表面张力有关（如毛细现象、湿润现象、泡沫的形成等），工业生产中的浮选技术、动植物体内液体的运动、土壤中水的运动等也都与液体的表面现象有关。此外在船舶制造、水力学、化工化学中都有它的应用。因此，研究液体的表面张力可谓工农业生产、生活及科学研究中有关液体分子的分布和表面的结构提供有用的线索。1一、实验原理和装置1实验原理 2若用吊片与待测液体接触,假定
2、吊片与液体接触角为零,考虑一级近似可以认为脱离力等于表面张力系数乘以周长,即f= LAB, （1）式中f为液面的表面张力;LAB为吊片与液面接触的长度;比例系数为表面张力系数。实验中采用金属圆环吊片,将其底部水平浸入液面中后,然后缓慢地使其脱离液面。由于液体表面张力的作用，调换的内、外壁会带起一部分液体，使液体弯曲，这时，吊环在铅直方向受到外力为重力mg，向上的拉力F，液体表面对其的作用力表面张力，如果吊环静止，其在铅直方向上所受合力为零， F mgf （2）式中F为把金属片拉出液面时所用的力；mg为金属片和带起的水膜的总重量；f 为表面张力。此时，f 与接触面的周围边界2（L d ）,代入（
3、2）式中可得 （3）本实验用金属圆环代替金属片，则有 （4）式中d1、d2 分别为圆环的内外直径。2实验器材FD-NST-1型液体表面张力测定仪、游标卡尺等二、实验内容1熟悉和调整仪器。开机预热15分钟以上，熟悉并调整仪器：仔细调节底角螺丝，使底盘水平，力敏传感器挂钩加挂砝码盘，练习显示一起的调零及加放砝码的读数方法，熟悉升降台的调整。2力敏传感器灵敏度的测求。硅压阻敏传感器的定标，整机预热后对力敏传感器定标，首先仪器调零，再分别加各种质量砝码，测出相应的电压输出值，将实验数据填入表1-1中，用计算器进行直线拟合，求得力敏传感器灵敏度B。3表面张力系数测定。（1）表面张力系数的测前准备。首先洁
4、净处理玻璃器皿和吊环，先用NAOH溶液洗净，再用清洁水冲洗干净，最后用纯净水冲一次，将玻璃器皿内注入被测溶液后安放在升降台上。（2）拉脱过程测量，把金属环固定在传感器上，调节吊环水平。顺时针方向调节升降台大螺帽使液体液面上升，当吊环下沿部分均浸在液体里，改为逆时针缓慢转动该螺帽，这时液面下降（或者说相对液面吊环往上提拉）。观察金属环浸入液体中及从液体中拉起时的物理过程和现象。特别关注吊环即将被拉断的一瞬间数字电压表读书值为U1，拉断瞬间的数字电压表的读数为U2，记下这两个数值。重复测量U1和U2共4次，将数据填入表1-2中，利用计算器统计功能求出平均值和标准差。（3）纪录测量始末的室温，以其平
5、均值作为液体的温度T。用游标卡尺测出吊环外径D1和内径D2。（4）将上述测量数据带入式中，计算出液体表面张力系数。3数据处理与结果分析1数据记录和处理 表1-1：力敏传感器定标M/g0.5001.0001.5002.0002.5003.0003.500U/mV15.630.945.860.976.491.6106.8 = mV= mV 力敏传感器灵敏度： = 30.5582452mV/g其标准差为=0.24494897所以=0.09258201mV/g 表1-2：液体表面张力测试室温=22.5,=22.5,液体温度=22.5，序号/mV/mV(-)/mV=44.425 (mV)144.50.0
6、344.2244.70.0144.6344.60.0244.4=0.14790199(mV)444.60.0144.5吊环外径=35.10mm，内径=33.06mm，=0.02mm标准差0.01154701mm+=68.16mm其标准差：0.01632993mm液体的表面张力系数：=0.06652074N/m的相对误差：=0.004507808的绝对误差：=0.0002998627N/m本实验测量结果： 0.06650.0003N/m 0.46%2结果分析（1）本次实验中我们通过老师的耐心讲解和同学们的通力配合，圆满完成了各部分实验过程，对基本实验过程，实验原理，实验的各个细节都有了充分地了解
7、。 从实验结果看,利用硅压阻式力传感器测得的表面张力系数在误差范围内与参考值较吻合,所以我们可以继续使用该直径的吊环。力传感器既实现了微小拉力的非电量的电测,又展示了表面张力拉脱的全过程,有助于我们准确理解表面张力的概念。同时，整个实验方法简便易行,更容易让人掌握，有效地提高了实验的准确性。 （2）最终测出的液体表面张力系数与已知的值有一定的差距，可以肯定地说实验中不可避免的出现了一些误差，其分析如下： 系统误差：当吊环跟液面断开的一瞬间前处于一个平衡状态：（记吊环及拉线的重量为，拉起的液体质量为） .（1）液膜断裂后, .（2）（1） （2）得， .（3）而我们的计算，断裂前： .（4）断裂
8、后同（2）式，（4）（2）得，.（5）由（3）、（5）式比较可知：在我们的实验中不自觉地将拉起的液体忽略掉了，而这一部分质量所产生的重力相对于我们所测量的液体表面张力是不可忽略的，而有没有很好的手段去测量这部分液体的质量，所以这是整个实验中最大的系统误差。其次，式中的（即表面张力，其中的为液面与吊环侧面的夹角）在计算的时候直接将近似为，只有当该角度极小的时候才可以做这种近似。而在实验中使用的吊环具有一定的厚度，所以在拉离水面的时候角会相对的大一些，导致产生误差。减小以上两个误差的方法就是换用强度更大厚度更小的吊环，这样拉起的液体质量就会减小，同时角也会先对减小。虽然这样仍然会产生误差，但是误差
9、会被减小一定程度，测量的表面张力系数就会更加的接近标准值。偶然误差：在这个实验中吊环放置得不平、水面的震动等随机误差都可能会使液面与吊环的连接提前断裂，导致所测得值偏大（在测量过程中会发现这一现象：力敏传感器的市属线变大后稍微减小，然后液膜和吊环的连接才会断开），导致最后的结果偏大。因为不同液体的表面张力系数是不一样的，实验所用的液体一定要干净的，不能被别的杂质污染。一旦使用被污染的液体进行试验，其所测定的液体表面系数的准确度或多或少会受到影响。3现象分析电压表读数在较长的时间内不变 实验过程中,当电压表的读数达到最大值时,有时会看到液膜继续被拉长,而电压表读数在较长的时间内不变的情况。这是“
10、自动”上升现象 3 。这种现象出现的难易程度与拉脱过程的快慢、圆环的厚度和直径有关。拉脱过程越慢、圆环越厚、直径越大越容易出现自动上升现象 4 。四、注意事项（1）砝码要轻拿轻放。（2）由于杂质和油污可使水的表面张力显著减小，所以务必使蒸馏水、烧杯、金属片保持洁净。实验前要对装蒸馏水的烧杯、金属圆环进行清洁处理，依次用NaOH溶液酒精蒸馏水将以上用具清洗干净，烘干后备用。（3）清洁后的用具，切勿用手触摸，应有镊子取出或存放。（4）测量S时要避免水膜提前破裂，否则实验误差较大，其中引起水膜提前破裂的因素有：桌面的震动，空气的流动，金属圆环底部不水平等。（5）对传感器定标时应先调零，待电压表输出稳定后再读数。（6）吊环保持水平，缓慢旋转升降台，避免水晃动，准确读出U1，U2。参考文献 :1 徐建强 大学物理实验.科学出版社.2013年8月第四次印刷2 王国余，张欣液体表面张力系数测定.传感器技术(J0umd of 7rransducerkhnology) 2003年第22卷第7期收 3 祝桂芝,卢湛铓. 用拉脱法测定液体表面张力系数实验中被忽视的一种错误 J . 物理实验, 1989, 9 (8) : 148 - 150. 4 魏杰,张拥军,等. 拉脱法测液体表面张力系数的改进 J . 大学物理, 2004, 23 (12) : 43 - 45.收
