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液体表面张力系数的测量

许多涉及液体的物理现象都与液体的表面性质有关，液体表面的主要性质就是表面张力。例如液体与固体接触时的浸润与不浸润现象、毛细现象、液体泡沫的形成等，工业生产中使用的浮选技术，动植物体内液体的运动，土壤中水的运动等都是液体表面张力的表现。

液体表面在宏观上就好像一张绷紧的橡皮膜，存在沿着表面并使表面趋于收缩的应力，这种力称为表面张力，用表面张力系数?来描述。因此，对液体表面张力系数的测定，可以为分析液体表面的分子分布及结构提供帮助。

液体的表面张力系数?与液体的性质、杂质情况、温度等有关。当液面与其蒸汽相接触时，表面张力仅与液体性质及温度有关。一般来讲，密度小，易挥发液体?小；温度愈高， ?愈小。测量液体表面张力系数有多种方法，如拉脱法，毛细管法，平板法，最大泡压法等。本实验是用拉脱法和毛细管法测定液体的表面张力系数。

【实验目的】

1．用拉脱法测量室温下液体（水）的表面张力系数； 2. 用毛细管法测量室温下液体（水）的表面张力系数； 3．学习力敏传感器的使用和定标。 【实验原理】 一、拉脱法

测量一个已知周长L的金属片从待测液体表面脱离时需要的力，求得该液体表面张力系数的实验方法称为拉脱法．若金属片为环状吊片时，考虑一级近似，可以认为脱离力为表面张力系数乘上脱离表面的周长，即

F???2L????(D1?D2) （1）

式中，F为脱离力，D1，D2分别为圆环的外径和内径，??为液体的表面张力系数．脱离力的测量应该为即将脱离液面测力计的读数F1减去吊环本身的重力mg。吊环本身的重力即为脱离后测力计的读数F2。所以表面张力系数为：

??F1?mgF1?F2? (2)

?(D1?D2)?(D1?D2)硅压阻式力敏传感器由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成，其中芯片由四个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥，当外界压力作用于金属梁时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，输出电压大小与所加外力成正此，即

ΔU?KΔF （3）

式中，?U F为外力的大小，K为硅压阻式力敏传感器的灵敏度，?U为传感器输出电压

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的大小。

综合（2）和（3）得表面张力系数为：

??二、毛细管法

?U （4）

?(D1?D2)K将玻璃毛细管插入无限广阔的水中，由于水对玻璃是浸润的，在管内的水面将成凹面。在液体表面张力的作用下，凹面有变平的趋势，因此下层的水受到一个提升的力，或它对下层的水施加以负压，使管内水面B点的压强比水面上方的大气压强小，如图1中（a）所示，而在管外的平液面处，与B点在同一水平面上的C点仍于水面上方的大气压强相等。在此压差的作用下，水将从管外流向管内使管中水面升高，直至B点和C点的压强相等为止，如图1（b）所示。设毛细管的截面为圆形，则毛细管内的凹水面可近似地看成为半径r的半环球面，若管内水面下A点与大气压的压强差为Δp，则水面平衡的条件应当是

?p?r2?2?r?cos? （5）

式中r为毛细管半径，θ为接触角，?为表面张力系数。如水在毛细管中上升的高度为h，则

?p??gh

式中?为水的密度。将此公式代入式（5），可得 ?gh?r2?2?r?cos? ??(a) (b) A θ??? ???B C ?B ??C 图1 ?ghr （6）

2cos?对于清洁的玻璃和水，接触角θ近似为零，则

??1?ghr （7）

2测量时是以管中凹面最低点到管外水平液面的高度为h，而在此高度以上，在凹面周围还有少量的水，因为可以将毛细管中的凹面看成为半球形，所以凹面周围水的体积应等于

r14（πr2）r－(?r3)＝1?r3＝(?r2), 即等于管中高为r的水柱的体积。因此，上述讨论中

32333的h值，应增加r的修正值。于是公式（7）成为

3 ??1?gr(h?r)?1?gd(h?d) （8）

2346由此可见，通过测量毛细管内径d，液面高h就可以得到液体表面张力系数?。

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【实验仪器】

拉脱法液体表面张力系数测量装置一套（支架及升降台，力敏传感器，数字电压表，砝码七片，金属吊环，砝码盘，镊子，玻璃器皿待等），毛细管法测量液体表面张力系数装置一套（读数显微镜，烧杯，玻璃毛细管等），台灯，待测液体（如水）等。

【实验内容】

1、拉脱法测量水的液体表面张力系数 （1）实验准备：预热数字电压表10分钟。

（2）对力敏传感器定标：将砝码盘挂在力敏传感器的挂钩上，对数字电压表调零，然后将七片砝码依次一片片放在砝码盘上，再依次一片片取出，待稳定后记下电压表的读数U（每i片砝码为0.500g），将数据填入自拟数据表格中。

（3）测量液膜拉断前和拉断后的电压表示数：（a）取下砝码盘，换上吊环；（b）将装有液体的玻璃器皿安放在升降台上；（c）调整吊环，使吊环下沿平面与玻璃器皿内的水面平行；（d）调节升降台，让环浸入水中；慢慢降低升降台，观察力敏传感器示数；测量液膜即将拉断前和拉断后的读数U1和U2；（e）重复（d）6次，将数据填入自拟数据表格中。

2、毛细管法测量水的液体表面张力系数 （1）将装水的烧杯安放在支架上。

（2）将洗净烘干的毛细管插入液体，使之铅直，观察液面高度。

（3）用读数显微镜测量毛细管中液柱高度h和内径。各重复测量5次，将数据填入自拟数据表格中。

【数据处理】

1、 硅压阻力敏传感器定标

用最小二乘法处理数据，求得力敏传感器的灵敏度K及相关系数r。 2、 拉脱法测量水的表面张力系数

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