1、1拉脱法测液体表面张力系数 摘要:该文用拉脱法测量液体表面张力系数，对拉脱过程中受力情况进行分析，重视数据分析，对不同的物理现象进行分析，并完善试验。关键字:焦利氏秤；表面张力系数；接触角；实验现象Pulled out of the measuring liquid surface tension coefficientAbstract:Pulled out the use of the liquid surface tension and pulled out of the situation in the process of analysis and data analysis of d
2、ifferent physical analysis and improvement of the experimentKeywords: giogli ； the scale of contact angle surface tension ； ； experiment phenomenon1引言液体内部由于分子的无规则热运动，各个方向的物理性质是相同的；而在液体表面 ,如液体与气体分界的表面，液体与周围的接触面以及两种不易混合的液体之间的界面都可以观察到一些特殊的表面现象，表现出液体表面和液体内部不同的性质。液体具有收缩表面积，使表面积达到最小的性质。本人所在的实验室，用拉脱法测量蒸馏水和
3、酒精的表面张力系数，在不同的温度下反复测量，蒸馏水测量值总比标准值小，酒精测量值总比标准值大。2实验设计2.1 实验目的1学习试着做创新实验2学习用拉脱法测液体表面张力系数2.2 实验原理设想将一表面洁净的矩形金属丝框竖直地浸入水中，使其底边保持水平，然后轻轻提起，则其附近的液面将呈现出如图(一)所示的形状，即丝框上挂有一层水膜。水膜的两个表面沿着切线方向有作用力 f，称为表面张力， 为接触角，当缓缓拉出金属丝框时，接触角 逐渐减少而趋向于零。这时表面张力 f垂直向下，其大小与金属丝框水平段的长度 L 成正比，故有F= L (1)2图(一)式中，比例系数 称为表面张力系数，它在数值上等于单位长
4、度上的表面张力。表面张力系数 与液体种类、纯度、温度等有关。试验表明，液体温度越高， 的值就越小；所含杂质越多， 值夜越小；上述条件一定，则 的值为一常数。在金属丝框缓慢拉出水面的过程中，金属丝框下面将带起一水膜，当水膜刚被拉断时，诸力的平衡条件是:F=W+f+ dh g l(2)式中，F 为弹簧向上的拉力，W 为簿片的重力，h 为簿片下液膜的高度，为液体密度， 和 d 为液膜的长度和厚度。故由 (1)式知表面张力为:lf=2 (l+d) (3)代入(2)式可得)(2-dlghK。(4)如图(二 )，用金属丝圆环代替金属丝框，则(4) 式又变为:(5) 21DgldhlK。图(二)其中 是外环
5、直径， 为内环直径。1D2(4)(5)式中， 数值很小，在计算中可以忽略。gldh32.3 试验内容与步骤1.安装焦利秤;2.测量弹簧的劲度系数：k;按要求调节仪器，旋转手轮使小镜子上的刻线、玻璃套筒上的刻线与玻璃套筒上的刻线在小镜子里的像三者相互对齐，即 “三线合一” 。在砝码盘中依次加上 0.5 克、1.0 克、1.5 克2.5 克砝码，在保证三线对齐的状态下，记下相应的标尺读数 、 ；再依次减小 0.5g 砝码使“三线1L52.对齐”并记下相应的标尺读数 ,计算各弹簧读数平均值，利用胡克定'''.、理和逐差法求得劲度系数 k。3.测蒸馏水表面张力作用下的弹簧伸长和
6、夜膜高度直接调节升降旋钮 G，记下形金属丝横臂或金属丝圆环臂快与液面接触时读数 ，旋转使液面上升至于金属丝相平。然后缓慢调节 G 向上拉起弹簧直0l至液膜被拉破为止，记下游标读数 。则两次读数之差 - 等于拉起水膜时弹ll0簧的伸长与液膜高度 h 之和，故有)(0hlKmgF(7)重复三次，求出 的平均值。0l再用一细长金属杆代替弹簧，同上做拉断液膜的操作，这时两读数 之''.l和差等于液膜高度 h，即h= ''ol(8)重复五次，求出 的平均值''ol因此，由式(4)或式(5) 求得 的值。形金属丝框液膜的长度和厚度测得见表二金属丝环测得金属丝
7、环的 、 于表四，测得 、 、 、 见表五1D2l0'l'04.测乙醇表面张力作用下的弹簧伸长和夜膜高度形金属丝框试验测得的 、 、 、 见表六l0'l'0金属丝环试验测得的 、 、 、 见表七l0'l'045.用金属丝框测肥皂水表面张力系数6.测不同温度下蒸馏水表面张力系数的变化试验测得不同温度蒸馏水的形金属丝框的 、 、 、 见表九l0'l'02.4 数据记录与处理表一k= (6)iilsmg423/8.9105.得出 k=1.018N/m表二计算得: =44.44mm, =1.25mm。Ld游标卡尺=0.02mm, 所以 (
8、L)= (d)= =0.012mm.Bu302.m计算得 ( )=0.012mm， ( )=0.018mm.AuLAd合成不确定度为:u(L)= =0.017mm，u(d)= =0.022mm)(22LuBA)(22duBA测量结果为:L=(44.44 0.02)mm，d=(1.25 0.02)mm试验测得的 、 、 、 见表三l0'l'0质量 增重读数 减重读数 平均数 0.0g 3.15cm 3.11cm 3.13cm0.5g 3.64cm 3.61cm 3.63cm1.0g 4.10cm 4.09cm 4.09cm1.5g 4.59cm 4.57cm 4.58cm2.0g
9、 5.06cm 5.04cm 5,05cm2.5g 5.57cm 5.57cm 5.57cmL 44.44mm 44.46mm 44.42mmd 1.28mm 1.26mm 1.22mml0l'l'0l0l''ol4.39cm 3.48cm 0.59cm 0.23cm 0.91cm 0.36cm5表三用公式(4)算得:= = N/m.32131028.7102.6107.633 3106.4由表三算得:u( )=0.025cm，u( )=0.006cm0l ''ol合成不确定度为:u( )= =2.33 N/m.222'0'
10、9;'20 )()()()( duLlulu 310则测量结果:N/m (此时水的温度:20.1) 31).275(相对误差为:=11.190.64表四表五计算得 =74.8 N/m ， =74.8 N/m， =67.3 N/m13023103310=72.30 N/m323相对误差为:=0.6 (此时水的温度:20.1 )1075.25.29cm 4.37cm 4.34cm 3.99cm 0.92cm 0.37cm6.19cm 5.20cm 5.21cm 4.86cm 0.99cm 0.35cm1D58.72mm 58.70mm 58.70mm257.98mm 57.96mm 57.
11、94mml0l'l'0l0l''ol6.98cm 3.93cm 6.27cm 5.91cm 3.05cm 0.36cm4.06cm 0.95cm 1.00cm 0.64cm 3.11cm 0.36cm6.05cm 3.25cm 2.98cm 2.60cm 2.80cm 0.38cm6表六计算得 =22.23 N/m ， =25.01 N/m， =19.45 N/m13023103310=22.23 N/m323相对误差为:=1.05 (20.1)10.2表七计算得 =17.5 N/m ， =22.5 N/m， =27.8 N/m13023103310=22.6
12、N/m323相对误差为:=2.78 (20.1)10.26表八计算得 =26.74 N/m ， =26.74 N/m， =31.19 N/m13023103310=28.2232 N/ml0l'l'0l0l''ol3.93cm 3.34cm 6.53cm 6.02cm 0.59cm 0.51cm4.53cm 3.93cm 3.90cm 3.39cm 0.60cm 0.51cm5.12cm 4.51cm 4.53cm 4.01cm 0.61cm 0.52cml0l'l'0l0l''ol5.08cm 4.11cm 5.42cm 5.0
13、8cm 0.97cm 0.34cm4.97cm 3.85cm 4.01cm 3.07cm 1.12cm 0.31cm5.92cm 4.75cm 4.75cm 4.58cm 1.17cm 0.17cml0l'l'0l0l''ol3.93cm 3.05cm 3.96cm 3.32cm 0.88cm 0.64cm4.98cm 4.11cm 4.97cm 4.34cm 0.87cm 0.63cm4.01cm 3.12cm 3.99cm 3.38cm 0.89 0.61cm7由试验结果可知，在蒸馏水中加上肥皂水会使液体表面张力系数降低。 l0l'l'0lH
14、=( )-( )0l''ol43.0 1.24cm 0.31cm 1.79cm 1.23cm 0.37cm32.5 3.11cm 2.24cm 2.23cm 1.79cm 0.43cm24.6 4.10cm 3.10cm 4.86cm 4.51cm 0.65cm表九 由数据可知， ,故 。得出结论: 水在不同的温度321H321下其表面张力大小是不同的，液体随温度升高，液体表面张力系数变小。3实验分析本次试验中我们先是测定了蒸馏水的表面张力系数,我们注意到外因素界对实验的影响,1:桌面要保证稳流动影响定,焦利称底座保证水平,无特殊气体影响,从而保证弹簧工作的自然性;2: 形金属
15、丝框不能做的很长(太长则难于平衡),使得被拉起的液膜和金属丝框重量相对表面张力过大,测量弹簧形变量偏小,误差难以避免;金属丝框对支点分布不对称,在拉液膜时易呈歪斜状态,同样造成误差;另外金属丝框下拉长度太小,对拉液膜的过程也有着显著影响,使得表面张力大小不能与下拉长度成简单正比,形成误差;3:金属丝框拉起时要保持水平,不能倾斜,而且动作要慢,要轻柔.不要使液膜过早破裂.然后我们又使用控制变量法,1: 改变液体,测量了酒精的表面张力系张力数，2:改变金属丝类型，用金属丝圆环代替形金属丝框测量蒸馏水和酒精的表面张力系数，3: 我们通过使用肥皂水,破坏了纯水的表面张力,测量了相应的液体表面张力系数，
16、4:另外，我们改变了温度,测出相应的张力系数。最后，我们对试验数据进行了精细的分析，计算出表面张力系数的不确定度和相对误差，得出的结果基本符合物理规律。试验中还要注意以下事项:1.测量表面张力时，动作要慢，还要防止仪器受增振动。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。4作者简介许章波 男 土木建筑学院桥梁工程 4 班 学号： 09010819吴选比 男 土木建筑学院桥梁工程 4 班 学号： 09010820潘玉龙 男 土木建筑学院桥梁工程 4 班 学号： 0901082685. 导师简介韩向宇 男 重庆交通大学在校硕士 E-mail:hxy1588 6参考文献(1)王桂莲 液体表面张力系数及测量精度的分析J 医学信息，(2)王桂莲 液体表面张力系数测量和试验现象讨论J 实验室科学(3)魏杰 拉脱法测液体表面张力系数的改进J 大学物理(4)姜林 用拉脱法测量乙醇水溶液的表面张力系数与温度的关系J 物理实验
