拉脱法 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 2 主要内容 一、基本知识点 二、实验仪器 三、实验原理 四、实验内容 五、实验现象的受力分析 3 1. 液体表面指液体与气体、液体与固体以及别种不相混合的 液体之间的界面。一、基本知识点 2. 表面张力液体的表面，由于 表面层，其厚度等于分子 的作用半径，约 10 -8 cm 内分子的作用，存在着一 定的张力 , 称为表面张力。 4 3. 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， 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 你要把弹簧拉开些，弹簧反而表现具有收缩的趋势。 5 6 4. 浸润与不浸润现象当液体和固体接触时，若固体和液体分子间的吸引力 大于 液体分子间的吸引力，液体就会沿固体表面扩张，形成薄膜附着在固体上，这种现象称为 浸润 ；反之为 不浸润 现象 。 浸 不 接触角 润 情 形 浸 润 情 形 7 8 5. 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两旁的液膜以一定的拉力相互作用。
拉力 f 存在于表面层，方向恒与直线垂直，大小与直线的长度 L 成正比，即f ＝ α L式中 α 称为 表面张力系 数 ，它等于沿液面作用在分 界线单位长度上的表面张力 , 其单位为 N· m -1 。它的大小 与液体的成分、纯度、浓度 以及温度有关。 9 1. 底座及调节螺丝2. 升降调节螺母3. 培养皿4. 金属片状圆环5. 硅压阻式力敏传感器及金属外壳 6. 数字电压表 二、实验仪器 1. 实验装置 10 2. 硅压阻式力敏传感器的结构及原理 ， 1 传感器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 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。 1. 力臂固定点2. 硅力敏传感芯片3. 弹性梁4. 挂钩 ， 2 结构简图 11 ， 3 原理△ U ＝ B · △ F 式中 : △ F ：外力的增量B ：传感器的灵敏度△ U ： 相应的电压改变量 灵敏度：传感器输出量增量与相应输入量增量之比，单位为 mv/N 。
它表示每增加 1N 的力，力敏传感器的电压改变量为 B mv 。 12 1. 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、环的内外径及液体材质、纯度等因素决定。 2. 吊环法和吊片法比较， 1 吊环法：使用金属细线制成吊环时，在液膜被拉破的瞬间 接触角不接近于零， 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较大，必须用修正公式对测量结果进行修正。 三、实验原理 13 ， 2 吊 片 法：虽然液膜被拉破的瞬间接触角趋近于零，但在具体测量时，由于吊片在拉脱过程中容易发生倾斜 , 实验时吊片的长度上限为 3 — 4cm ，而在测量力时，则希望力大一点 , 有利于提高测量精确度。， 3 片状吊环 ：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，发现当调换直径等于或略大于 3.3cm 时 , 在液膜被拉破的瞬间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 20cm 左右。在保持接触角为零时，能得到一个较大的待测力。
14 3. 实验原理 ? 使用片状吊环，在液膜拉破前瞬间，考虑一级近似，认为液体的表面张力为：f = f 1 + f 2 = α л ( D 1 + D 2 )这里 α 为表面张力系数， D 1 、D 2 分别为吊环的外径和内径。液膜拉破前瞬间的受力分析图 ? 片状吊环在液膜拉破前瞬间有：F 1 = mg + f 1 + f 2此时传感器受到的拉力 F 1 和输出电压 U 1 成正比，有：U 1 = BF 1 15 ? 片状吊环在液膜拉破后瞬间有：F 2 = mg同样有U 2 = BF 2 ? 片状吊环在液膜拉破前后电压的变化值可表示为：液膜拉破后瞬间的受力分析图U 1 － U 2 = △ U = B · △ F = B ， F 1 － F 2 = B α л ( D 1 + D 2 )由上式可以得到液体的表面张力系数为 :这里 U 1 —— 液膜拉断前瞬间电压表的读数U 2 —— 液膜拉断后瞬间电压表的读数 16 1. 实验方法 ， 1 接通数字电压表及直流电源，预热 15 分钟。
保证测力方向和传感器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，依次从电压表读出相应的电压输出值，求出传感器的灵敏度 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 ,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 U 1和液膜拉断后瞬间电压表的读数 U 2 。 ， 4 计算得到传感器的灵敏度 B 和液体的表面张力系 数 α 。四、实验内容 17 2. 定标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 1 。灵敏 度 B 表 1 力敏传感器定标 砝码质量 /g 1 2 3 4 5 6 7 增加砝码 /mV 减少砝码 /mV 平均值 /mV 18 自来水 19 次数 U 1 /mV U 2 /mV Δ( U 1 – U 2 )/m V α /( × 10 – 3 N/m) 1 2 3 4 5 内径 D 1 /mm 外经 D 2 /m m 3. 实验结果 ， 1 自来水 表面张力系数的测定20 次数 U 1 /mV U 2 / mV Δ( U 1 – U 2 )/ mV α /( × 10 – 3 N/m) 1 2 3 4 5 内径 D 1 /mm 外 经 D 2 / mm ， 2 可乐 表面张力系数的测定
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