液体表面张力系数的测定

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,拉脱法测量液体的表面张力系数,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,2,1.,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。,3,3.,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,。,浸润情形,不浸润情形,接触角,浸润情形,不浸润情形,4,4.,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,L,式中,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,Nm,-1,。,它的大小,与液体的成分、纯度、浓度,以及温度有关。,5,1.,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,6,2.,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,7,（,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,。,8,1.,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,9,（,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,34cm,，,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。,10,3.,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,=,(,D,1,+,D,2,),这里,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,1,11,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,(,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,12,1.,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。用最小二乘法拟合，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,）,把测量的数据输入编写的程序，计算得到传感器的灵敏度,B,和液体,的表面张力系,数,。,四、实验内容,13,2.,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,。采,用最小二乘法可求得：,灵敏度：,B,=3.18610,3,mv,/N,拟合的线性相关系数：,r,=0.0428,mv,表,1,力敏传感器定标,m,/g,0.500,1.000,1.500,2.000,2.500,3.000,3.500,V,/,mv,15.5,31.3,47.0,62.6,78.1,93.8,109.2,14,3.,实验结果,（,1,）,自来水,表面张力系数的测定,U,1,(mv),12.9,13.1,13.2,13.3,13.2,13.2,U,2,(mv),-34.1,-31.4,-36.9,-34.6,-31.7,-31.8,（,2,）,伊利纯牛奶,表面张力系数的测定,通过计算机求得：,，,=68.57,10,-3,N/m,U,1,(mv),-10.2,-11.2,-11.3,-11.6,-12.3,-12.5,U,2,(mv),-33.3,-31.2,-35.2,-31.3,-36.4,-35.8,通过计算机求得：,，,=32.80,10,-3,N/m,15,自来水,伊利牛奶,16,(1),10,克白糖,50,克水，,t,=24,，,1,U,1,(mv),7.7,12.5,9.6,8.8,8.0,6.6,U,2,(mv),-15.2,-12.3,-10.6,-14.7,-17.2,-16.8,4.,液体浓度对表面张力的影响,(2),20,克白糖,50,克水，,t,=24,，,2,U,1,(mv),9.8,9.5,9.6,9.5,9.6,9.4,U,2,(mv),-13.4,-13.5,-13.2,-13.4,-13.0,-13.4,U,1,(mv),14.1,12.8,12.0,11.6,11.7,9.6,U,2,(mv),-11.4,-10.5,-14.2,-7.6,-18.6,-21.1,(3),20,克白糖,50,克水，,t,=24,，,3,17,通过计算机计算可得：,1,=40.12,10,-3,N/m,2,=36.19,10,-3,N/m,3,=35.49,10,-3,N/m,结论,：不同的物质，浓度对其,表面张力的影响形式是,不一样的，可能增加也,可能减小。对自制的糖,水，随着浓度的增加，,表面张力减小，并且浓,度越大，减小越慢。,18,对整个的实验过程，可以分为以下,3,个阶段：,五、实验现象的受力分析,吊环浸没在水中，,电压表显示,负值,反方向旋转螺母，,电压表读数增加,继续旋转读数增,加到一个最大值,继续旋转，,读数开始减小,减小到某一个,值，液膜破裂,此时，观察电压表,读数，记下,U,1,、,U,2,阶段,1,阶段,2,阶段,3,19,1.,阶段,1,的受力分析,吊环下沿,浸没,在水中时，有,吊环下沿,拉离水面,，开始拉起液膜时，有,电压表读数达到最大值，此时有,这里，,f,为表面张力,20,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,附着在液膜上,的水,在重力的作用下向下滑，所以拉力减小。,2.,阶段,2,的受力分析,21,3.,阶段,3,的受力分析,在,液膜拉破前瞬间,有：,F,1,=,mg,+,f,1,+,f,2,=,mg,+,f,在,液膜拉破后瞬间,有：,F,2,=,mg,由此，可以得到液体的表面张力：,液体的表面张力系数,22,23,