液体表面张力系数测定的实验实训报告 .pdf

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1、物 理 实 验 报 告实验名称：液体表面张力系数的测定学院：专业班级：学号：学生姓名：1实验预习题1.什么是液体的表面？成绩：液体与气体、液体与固体以及不相混合的液体之间的界面。2.液体表面的分子具有什么特点(表面张力产生的原因)？表面层里的分子要比液体内部稀疏些,也就是分子间的距离比液体内部大些.在液体内部,分子间既存在着引力,又存在着斥力,引力和斥力的数量级相同,在通常的条件下可以认为它们的大小是相等的.在表面层里,分子间的距离大,分子间的相互作用表现为引力.所以存在着表面层液体各部分间相互吸引的力3.液体表面张力系数是怎么定义的？热力学对表面张力系数的广义定义为：表面张力系数是在温度T

2、和压力 p 不变的情况下吉布斯自由能 G 对面积 A 的偏导数4.液体表面张力系数与哪些因素有关？（1）液体不同表面张力系数不同。例如，密度小的，容易蒸发的液体表面张力系数小，如液氢和液氦；已熔化的金属表面张力系数则很大；（2）表面张力系数随温度的升高而减小，近似地为一线性关系；（3）表面张力系数的大小还与相邻物质的化学性质有关；（4）表面张力系数还与杂质有关，加入杂质可促使液体表面张力系数增大或减小。一般说来醇、酸、醛、酮等有机物质大都是表面活性物质，比水的表面张力系数小得多。5.简述拉脱法测量液体表面张力系数的原理(用矩形金属薄片或金属环时，表面张力系数的具体表达式)。2如果将一洁净的圆筒

3、形吊环浸入液体中，然后缓慢地提起吊环，圆筒形吊环将带起一层液膜。使液面收缩的表面张力 f 沿液面的切线方向，外角称为湿润角(或接触角)。当继续提起圆筒形吊环时，角逐渐变小而接近为零,这时所拉出的液膜的波面一液面里、外两个表面的张力 f 均垂直向下，设拉起液膜破裂时的拉力为F,则有F （mm0）g 2 f(1)式中，m 为粘附在吊环上的液体的质量，m0为吊环质量,因表面张力的大小与接触面周边界长度成正比，则有2f(D内 D外)*(2)比例系数 a 称为表面张力系数，单位是 N/m。a 在数值上等于单位长度上的表面张力。.式中 l 为圆筒形吊环内、外圆环的周长之和。F(mm0)g(D内D外)（3）

4、由于金属膜很薄，被拉起的液膜也很薄，m 很小可以忽略，于是公式简化为Fm0g(D内D外)（4）6.焦利氏秤和普通的弹簧秤有所不同？一般的弹簧秤，弹簧的上端固定不动，在弹簧下端挂重物时，弹簧则3伸长，物体重量可由指针所指示的标尺直接标出。而焦利氏秤上的弹簧是挂在可以上下移动的有刻度的管子上的，管外面套有外管，外管上有游标，旋转旋钮即可使管上下移动。在外管上，有夹子，夹子中央有带标线的短玻璃管，弹簧下端挂一细金属杆，金属杆中部有一长形小镜，镜中央有一刻痕，金属杆从玻璃管中通过，在金属杆的下端可挂砝码托盘与钢丝码。7.“三线对齐”是哪三线？为什么要这样做？“三线对齐”指标镜上的刻线，玻璃管上的刻线和

5、玻璃管上刻线在镜中的像。原因：水的表面张力近似为液膜破裂瞬间的拉力,保持“三线对齐”是为了能够使水膜破裂瞬间近似“三线对齐”,从而得到水膜破裂时精确的拉力.使能准确测出该拉力大小,减少实验误差8.焦利氏秤测定液体的表面张力有什么优点？测定表面张力系数的关键是测量表面张力F，用普通的弹簧是很难迅速测出液膜即将破裂时的 F 的，应用焦利氏秤则克服了这一困难，可以方便地测量表面张力F，并且焦利氏秤的劲度系数较小，有游标卡尺式的读数尺，故测量精度高。9.千分尺是否存在系统误差如何判断？如何调零？检查游标卡尺零位误差：清洁卡爪两测量面,轻推游标框,使两测量面接触,观察主尺零线（第一条刻度线）与游标零线是

6、否重合；检查千分尺（外径）零位误差：0-25mm,清洁测量面,旋转套筒使测量面接触,通过旋转套筒尾部的测410.比较逐差法与图解法处理实验数据的不同点。逐差法需要两个物理量之中的一个必须做等间隔变化，而图解法不受这一限制，这使得图解法在实际中应用得更广泛、更灵活;采用图解法处理实验数据，我们更容易发现离散性较大的“不良数据点”，以便及时地修正或剔除，减小实验误并。更重要的是，图解法可以更直观地反映出两个物理量 z 间的关系，有助于我们理解和发现物理规律。因此在一般情况下，适用于逐差法的情况也适用于图解法，但是适用于图解法的情况不一定适用于逐并法。5原始数据记录成绩：1.弹簧倔强系数的测量砝码数

7、量增加一个砝码时米尺的读数/cm减少一个砝码时米尺的读数/cm平均值/cm10.7811.3011.8012.3712.8913.4010.7811.3011.8012.3812.8813.4010.7811.3011.8012.3612.9013.40123456用逐差法处理数据，求弹簧的倔强系数k6mg+5mg+4mg-3mg-2mg-mgk=0.923kN/mL6+L5+L4-L3-L2-L12.金属框测量液体表面的张力系数游标卡尺测量金属框的长度 L=4.500 cm；螺旋测微器测量金属框金属丝的直径 d=0.0786cm；移除砝码，金属框和砝码金属框和砝码托盘在空气中三线对齐时米尺的

8、初始读数h0=10.44cm。6重复测量金属框脱离液面时米尺的读数数据表格：测量次数h1/cmh1的平均值10.97/cm111.02210.92310.89411.04511.00610.94k(h1-h0)被测液体表面的张力系数=0.5342(L+d)3.金属环测量液体表面的张力系数游标卡尺测量金属环外直径 D1=2.200cm，内直径 D2=2.000cm。金属环在空气中三线对齐时米尺的初始读数h0=2.37cm。重复测量金属环脱离液面时米尺的读数数据表格：测量次数h1/cmh1的平均值3.43/cm13.4423.4133.4443.4253.4063.47h1-h0)k(被测液体表面

9、的张力系数=0.073(D1+D2)7实验报告正文一、实验名称一、实验名称液体表面张力系数的测定二、实验目的二、实验目的1、用拉托法测定室温下液体表面张力系数2、学习掌握焦利式称使用方法三、实验原理三、实验原理1.液体分子受力情况1.液体分子受力情况成绩：液体表面层中分子的受力情况与液体内部不同。在液体内部，分子在各个方向上受力均匀，合力为零。而在表面层中，由于液面上方气体分子数较少，使得表面层中的分子受到向上的引力小于向下的引力，合力不为零，这个合力垂直于液体表面并指向液体内部，如图1所示。所以，表面层的分子有从液面挤入液体内部的倾向，从而使得液体的表面自然收缩，直到达到动态平衡(即表面层中

10、分子挤入液体内部的速率与液体内部分子热运动而达到液面的速率相等)。这时，就整个液面来说，如同拉紧的弹性薄膜。这种沿着表面，使液面收缩的力称为表面张力。想象在液面上划一条线，表面张力就表现为直线两侧的液体以一定的拉力相互作用。这种张力垂直于该直线且与线的长度成正比，比例系数称为表面张力系数。图1 液体分子受力示意图82.2.矩形金属框架测量原理矩形金属框架测量原理将一表面清洁的矩形金属薄片竖直浸入水中，使其底面水平并轻轻提起。当金属片底面与水面相平，或略高于水面时，由于液体表面张力的作用，金属片的四周将带起一部分水，使水面弯曲，呈图2所示的形状。这时，金属片在竖直方向上受到金属片的重力拉力F；水

11、表面对金属片的作用力表面张力。；向上的图2 金属框受力示意图其中 为水面与金属片侧面的夹角，称为接触角。如果金属片静止，则竖直方向上合力为零，有在金属片临脱离液体时，力，即(1),则F应当是金属丝重与薄膜拉引金属丝的表面张力之和,则平衡条件变为：(2)显然表面张力 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，其方向沿着液体表面，且垂直于该分界线。表面张力f的大小与分界线的长度成正比。由于表面张力 与接触面的周长成正比，即，所以由(2)式得：(3)因此，只要通过实验测出拉力、出水的表面张力系数。实验时，可用“”型金属框架来代替金属薄片。这时，为，金属框架横梁的长度，为金属丝的直径

12、。(3)式中，若、的单位为，、的单位为N，的单位为的单位为，称为表面张力系数，单位是N/m。表面张力系数与液9及 和，代入(3)式，即可求体的性质有关，密度小而易挥发的液体 小，反之 较大；表面张力系数还与杂质和温度有关，液体中掺入某些杂质可以增加，而掺入另一些杂质可能会减少；温度升高，表面张力系数 将降低。3.3.焦利氏秤工作原理焦利氏秤工作原理测定表面张力系数的关键是测量表面张力。用普通的弹簧称是很难迅速测出液膜即将破裂时的 的，应用焦力氏秤则克服了这一困难，可以方便地测量表面张力。焦利氏秤由固定在底座上的秤框、可升降的金属杆和锥形弹簧秤等部分组成，如图3所示。在秤框上固定有下部可调节的载

13、物平台、作为平衡参考点用的玻璃管和作弹簧伸长量读数用的游标；升降杆位于秤框内部，其上部有刻度，用以读出高度，框顶端带有螺旋，供固定锥形弹簧秤用，杆的上升和下降由位于秤框下端的升降旋钮控制；锥形弹簧秤由锥形弹簧、带小镜子的金属挂钩及砝码盘组成。带镜子的挂钩从平衡指示玻璃管内穿过，且不与玻璃管相碰。图3 焦利氏秤装置图1-秤框；2-升降金属杆；3-金属杆高度调节按钮；4-锥形弹簧；5-带小镜子的挂钩；6-平衡指示玻璃管；7-载物台；8-载物台调节螺丝；9-底脚螺丝；焦利氏秤和普通的弹簧秤有所不同：普通的弹簧秤是固定上端，10通过下端移动的距离来称衡，而焦利氏秤则是在测量过程中保持下端固定在某一位置

14、，靠上端的位移大小来称衡。其次，为了克服因弹簧自重引起弹性系数的变化，把弹簧做成锥形。由于焦利氏秤的特点，在使用中应保持让小镜中的指示横线、平衡指示玻璃管上的刻度线及其在小镜中的像三者对齐，简称为三线对齐，作为弹簧下端的固定起算点。四、实验内容四、实验内容1.1.用逐差法求弹簧的倔强系数用逐差法求弹簧的倔强系数（1）测量前焦利氏秤的安装和调节调节支架底座的底脚螺丝，使秤框竖直，弹簧自然下垂并与升降杆平行，使小平面镜在玻璃管中心，不与管壁相碰，将砝码托盘放到焦利氏秤挂钩上；（2）测量数据逐次向砝码托盘内放入砝码，调节升降钮，使三线对齐，分别记下对应砝码个数为 1、2、3、4、5、6 时刻度尺的读

15、数，再逐次减少砝码，记录刻度尺读数；用逐差法或作图法处理数据，计算弹簧的倔强系数；2.2.用金属框测量液体的表面张力系数用金属框测量液体的表面张力系数（1）用游标卡尺测量金属框横梁的长度；（2）用螺旋测微器测量金属框金属丝的直径；（3）取下砝码，将金属框挂到砝码托盘挂钩上，仍保持三线对齐，记下刻度尺读数；（4）把盛有自来水的烧杯放在焦利氏秤载物台上，调节载物台的微调螺丝和升降钮，使金属框浸入水面以下；（5）同时缓慢地旋转载物台微调螺丝和升降钮，注意烧杯下降和金属杆上升时，始终保持三线对齐。当液膜刚破裂时，记下金属杆的读数。测量 6 次，取平均，计算自来水的表面张力系数；3.3.用金属环测量液体

16、的表面张力系数用金属环测量液体的表面张力系数（1）用游标卡尺分别测量金属环外径和内径；（2）取下金属框和砝码托盘，将金属环挂到焦利氏秤挂钩上，仍保持三线对齐，记下刻度尺读数；11（3）把盛有自来水的烧杯放在焦利氏秤载物台上，调节载物台的微调螺丝和升降钮，使金属环浸入水面以下；（4）同时缓慢地旋转载物台微调螺丝和升降钮，注意烧杯下降和金属杆上升时，始终保持三线对齐。当液膜刚破裂时，记下金属杆的读数。测量 6 次，取平均，计算自来水的表面张力系数；五、实验数据五、实验数据1.弹簧倔强系数的测量1.弹簧倔强系数的测量砝码数量增加一个砝码时米尺的读数/cm减少一个砝码时米尺的读数/cm平均值/cm平均

17、值/cm10.7811.3011.8012.3712.8913.4010.7811.3011.8012.3812.8813.4010.7811.3011.8012.3612.9013.4012345612.09用逐差法处理数据，求弹簧的倔强系数k6mg+5mg+4mg-3mg-2mg-mgk=0.923kN/mL6+L5+L4-L3-L2-L12.金属框测量液体表面的张力系数2.金属框测量液体表面的张力系数游标卡尺测量金属框的长度 L=4.500 cm；螺旋测微器测量金属框金属丝的直径 d=0.0786cm；移除砝码，金属框和砝码金属框和砝码12托盘在空气中三线对齐时米尺的初始读数h0=10.

18、44cm。重复测量金属框脱离液面时米尺的读数数据表格：测量次数h1/cmh1的平均值10.97/cmk(h1-h0)被测液体表面的张力系数=0.5342(L+d)111.02210.92310.89411.04511.00610.943.金属环测量液体表面的张力系数3.金属环测量液体表面的张力系数游标卡尺测量金属环外直径 D1=2.200cm，内直径 D2=2.000cm。金属环在空气中三线对齐时米尺的初始读数h0=2.37重复测量金属环脱离液面时米尺的读数数据表格：测量次数h1/cmh1的平均值3.43/cmh1-h0)k(被测液体表面的张力系数=0.073(D1+D2)六、误差分析（一）弹

19、簧六、误差分析（一）弹簧13.4423.4133.4443.4253.4063.47cm。13(xx)i20.81525A类不确定度：Uan(n1)650.0301B类不确定度：Ub仪30.00130.006U(x)U2aU2b0.030120.00620.001（二）金属框（二）金属框A类不确定度：Ua(hh)2i0121n(n1)0.650.00153B类不确定度：Ub仪30.01cm30.006cm则U(h)U22aUb0.002由不确定度传递公式有22U()()2(h)(2hUk)U(k)0.158则金属框=0.5340.0158（三）金属环（三）金属环A类不确定度：Ua(h2ih).0031n(n1)0650.002B类不确定度：Ub仪0.001330.006U(h)U22aUb0.008722有不确定度传递公式有：U()U22h(h)(k)U(k)0.0068则金属环=0.0730.006814：1、焦利式称读数处误差（以及各个读数误差）2、不完全水膜的张力3、水膜的重力15