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1、拉脱法拉脱法测量液体的表面张力系数测量液体的表面张力系数石家庄铁道大学物理实验中心张变芳主要内容主要内容一、基本知识点一、基本知识点二、实验仪器二、实验仪器三、实验原理三、实验原理四、实验内容四、实验内容五、实验现象的受力分析五、实验现象的受力分析21. 液体表面液体表面 指液体与气体、液体与固体以及别种不相混合的指液体与气体、液体与固体以及别种不相混合的液体之间的界面。液体之间的界面。一、基本知识点一、基本知识点2. 表面张力表面张力 液体的表面，由于液体的表面，由于表面层（其厚度等于分子表面层（其厚度等于分子的作用半径，约的作用半径，约10-8 cm）内分子的作用，存在着一内分子的作用，存
2、在着一定的张力定的张力,称为表面张力。称为表面张力。33. 表面张力产生的原因表面张力产生的原因 液体跟气体接触的表面存在一个薄层，叫做表面层，液体跟气体接触的表面存在一个薄层，叫做表面层，表面层里的分子比液体内部稀疏，分子间的距离比液表面层里的分子比液体内部稀疏，分子间的距离比液体内部大一些，分子间的相互作用表现为引力。就象体内部大一些，分子间的相互作用表现为引力。就象你要把弹簧拉开些，弹簧反而表现具有收缩的趋势。你要把弹簧拉开些，弹簧反而表现具有收缩的趋势。 454. 浸润与不浸润现象浸润与不浸润现象 当液体和固体接触时，若当液体和固体接触时，若 固体和液体分子间的吸引力固体和液体分子间的
3、吸引力大大 于于液体分子间的吸引力，液体液体分子间的吸引力，液体 就会沿固体表面扩张，形成薄就会沿固体表面扩张，形成薄 膜附着在固体上，这种现象称膜附着在固体上，这种现象称 为为浸润浸润；反之为；反之为不浸润不浸润现象现象。浸润情形浸润情形不浸润情形不浸润情形接触角接触角浸润情形浸润情形不浸润情形不浸润情形675. 表面张力系数表面张力系数 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。拉力两旁的液膜以一定的拉力相互作用。拉力 f 存在于表面存在于表面 层，方向恒与直线垂直，大小与直线的长度层，方向恒与直线垂直，大小与
4、直线的长度 L 成正比，成正比， 即即 f L 式中式中称为称为表面张力系表面张力系数数，它等于沿液面作用在分，它等于沿液面作用在分界线单位长度上的表面张力界线单位长度上的表面张力,其单位为其单位为Nm-1。它的大小它的大小与液体的成分、纯度、浓度与液体的成分、纯度、浓度以及温度有关。以及温度有关。 81.底座及调节螺丝底座及调节螺丝 2.升降调节螺母升降调节螺母 3.培养皿培养皿 4.金属片状圆环金属片状圆环 5.硅压阻式力敏传感器及金属外壳硅压阻式力敏传感器及金属外壳 6.数字电压表数字电压表二、实验仪器二、实验仪器1. 实验装置实验装置92. 硅压阻式力敏传感器的结构及原理硅压阻式力敏传
5、感器的结构及原理（1）传感器传感器 传感器是将感受的物理量、化学量等信息，按一传感器是将感受的物理量、化学量等信息，按一定的规律转换成便于测量和传输的信号的装置。电信定的规律转换成便于测量和传输的信号的装置。电信号易于处理，所大多数的传感器是将物理量等信号转号易于处理，所大多数的传感器是将物理量等信号转换成电信号输出的。换成电信号输出的。1.力臂固定点力臂固定点 2.硅力敏传感芯片硅力敏传感芯片 3.弹性梁弹性梁 4.挂钩挂钩（2）结构简图结构简图10（3）原理原理 UB F式中式中: F ：外力的增量外力的增量 B ：传感器的灵敏度感器的灵敏度 U ：相相应的的电压改改变量量灵敏度：灵敏度：
6、传感器感器输出量增量与相出量增量与相应输入量增量之入量增量之 比，比，单位位为 mv/N。它表示每增加它表示每增加 1N 的的 力，力敏力，力敏传感器的感器的电压改改变量量为 B mv。111. 拉脱法拉脱法 测量一个已知周长的金属圆环或金属片从从待测液体测量一个已知周长的金属圆环或金属片从从待测液体 表面脱离时所需的拉力，从而求得该液体表面张力系数的表面脱离时所需的拉力，从而求得该液体表面张力系数的 方法称为拉脱法。所需的拉力是由液体表面张力、环的内方法称为拉脱法。所需的拉力是由液体表面张力、环的内 外径及液体材质、纯度等因素决定。外径及液体材质、纯度等因素决定。2. 吊环法和吊片法比较吊环
7、法和吊片法比较 （1 1）吊环法：使用金属细线制成吊环时，在液膜被拉破的瞬）吊环法：使用金属细线制成吊环时，在液膜被拉破的瞬 间间接触角不接近于零，接触角不接近于零，此时所测得的力是表面此时所测得的力是表面 张力向下的分量，因而所得表面张力系数误差张力向下的分量，因而所得表面张力系数误差 较大，必须用修正公式对测量结果进行修正。较大，必须用修正公式对测量结果进行修正。三、实验原理三、实验原理12（2）吊吊 片片 法：虽然法：虽然液膜被拉破的瞬间液膜被拉破的瞬间接触角趋近于零，接触角趋近于零， 但在具体测量时，由于吊片在拉脱过程但在具体测量时，由于吊片在拉脱过程 中容易发生倾斜中容易发生倾斜,实
8、验时吊片的长度上限实验时吊片的长度上限 为为34cm，而在测量力时，则希望力大而在测量力时，则希望力大 一点一点,有利于提高测量精确度。有利于提高测量精确度。 （3）片状吊环）片状吊环：新设计有一定厚度的片状吊环。经过对：新设计有一定厚度的片状吊环。经过对 不同直径吊环的多次试验，发现当调换不同直径吊环的多次试验，发现当调换 直径等于或略大于直径等于或略大于3.3cm时时,在在液膜被拉液膜被拉 破的瞬间破的瞬间液体与金属环之间的接触角接液体与金属环之间的接触角接 近于零，此时接触面总周长约为近于零，此时接触面总周长约为20cm左左 右。在保持接触角为零时，能得到一个右。在保持接触角为零时，能得
9、到一个 较大的待测力。较大的待测力。133. 实验原理实验原理u使用片状吊环，在使用片状吊环，在液膜拉破前瞬液膜拉破前瞬 间间，考虑一级近似，认为液体的，考虑一级近似，认为液体的 表面张力为：表面张力为： f = f1 + f2 = (D1+ D2) 这里里为表面张力系数，为表面张力系数，D1、 D2分分别为吊吊环的外径和内径。的外径和内径。液膜拉破前瞬间的受力分析图液膜拉破前瞬间的受力分析图u片状吊环在片状吊环在液膜拉破前瞬间液膜拉破前瞬间有：有： F1 = mg + f1 + f2 此时传感器受到的拉力此时传感器受到的拉力F1和输出电压和输出电压U1成正比，有：成正比，有： U1 = BF
10、114u片状吊环在液膜拉破后瞬间有：片状吊环在液膜拉破后瞬间有： F2 = mg 同样有同样有 U2 = BF2u片状吊环在液膜拉破前后电压的片状吊环在液膜拉破前后电压的 变化值可表示为：变化值可表示为：液膜拉破后瞬间的受力分析图液膜拉破后瞬间的受力分析图 U1 U2 = U = B F = B（F1 F2）= B(D1+ D2) 由上式可以得到液体的表面由上式可以得到液体的表面张力系数力系数为: 这里这里U1液膜拉断前瞬间电压表的读数液膜拉断前瞬间电压表的读数 U2 液膜拉断后瞬间电压表的读数液膜拉断后瞬间电压表的读数151. 实验方法实验方法（1）接通数字电压表及直流电源，预热）接通数字电
11、压表及直流电源，预热15分钟。保证测力方向和传感器分钟。保证测力方向和传感器 起弹簧片的平面垂直。起弹簧片的平面垂直。（2）传感器定标：挂上砝码盘将数字电压表调零，等质量的加砝码，依）传感器定标：挂上砝码盘将数字电压表调零，等质量的加砝码，依 次从电压表读出相应的电压输出值，求出传感次从电压表读出相应的电压输出值，求出传感 器的灵敏度器的灵敏度B B。（3）将片状吊环洗净，挂在小钩上，调节升降螺母，将其浸没于液体中将片状吊环洗净，挂在小钩上，调节升降螺母，将其浸没于液体中, , 反方向调节升降螺母，液面逐渐下降，这时，金属环和液面形成一反方向调节升降螺母，液面逐渐下降，这时，金属环和液面形成一
12、 环形液膜，继续使液面下降，测出环形液膜，继续使液面下降，测出液膜拉断前瞬间电压表的读数液膜拉断前瞬间电压表的读数U1 和液膜拉断后瞬间电压表的读数和液膜拉断后瞬间电压表的读数U2。（4）计算得到传感器的灵敏度）计算得到传感器的灵敏度B B和液体的表面张力系和液体的表面张力系数数。四、实验内容四、实验内容162. 定标定标 向砝码盘内一次加不同质量的砝码，测出相应向砝码盘内一次加不同质量的砝码，测出相应 拉力时传感器的电压输出值，实验结果见表拉力时传感器的电压输出值，实验结果见表1。灵敏。灵敏度度B表表1 力敏传感器定标力敏传感器定标砝码质量/g1234567增加砝码/mV减少砝码/mV平均值
13、/mV17自来水自来水18次数U1/mVU2/mV(U1-U2)/mV/(10-3N/m)12345内径D1/mm外经D2/mm3. 实验结果实验结果（1）自来水自来水表面张力系数的测定表面张力系数的测定19次数U1/mVU2/mV(U1-U2)/mV/(10-3N/m)12345内径D1/mm外经D2/mm（2）可乐可乐表面张力系数的测定表面张力系数的测定20 = =E=（3）结果表示）结果表示21对整个的实验过程，可以分为以下对整个的实验过程，可以分为以下3个阶段：个阶段：五、实验现象的受力分析五、实验现象的受力分析吊环浸没在水中，吊环浸没在水中，电压表显示电压表显示负值负值反方向旋转螺母
14、，反方向旋转螺母，电压表读数增加电压表读数增加继续旋转读数增继续旋转读数增加到一个最大值加到一个最大值继续旋转，继续旋转，读数开始减小读数开始减小减小到某一个减小到某一个值，液膜破裂值，液膜破裂此时，观察电压表此时，观察电压表读数，记下读数，记下U1、U2 阶段阶段1阶段阶段2阶段阶段3221. 阶段阶段1的受力分析的受力分析吊环下沿吊环下沿浸没浸没在水中时，有在水中时，有吊环下沿吊环下沿拉离水面拉离水面，开始拉起液膜时，有，开始拉起液膜时，有电压表读数达到最大值，此时有电压表读数达到最大值，此时有这里，这里，f 为表面张力为表面张力23 达到最大值后，继续反方向转动调节螺母，可以发达到最大值后，继续反方向转动调节螺母，可以发现，电压表读数开始减小，这主要是因为现，电压表读数开始减小，这主要是因为附着在液膜上附着在液膜上的水的水在重力的作用下向下滑，所以拉力减小。在重力的作用下向下滑，所以拉力减小。2. 阶段阶段2的受力分析的受力分析243. 阶段阶段3的受力分析的受力分析 在在液膜拉破前瞬间液膜拉破前瞬间有：有： F1 = mg + f1 + f2 = mg + f 在在液膜拉破后瞬间液膜拉破后瞬间有：有： F2 = mg 由此，可以得到液体的表面张力：由此，可以得到液体的表面张力：液体的表面张力系数液体的表面张力系数2526
