1、拉脫法測量液體的表面張力系數(shù),石家莊鐵道大學(xué) 物理實驗中心 張變芳,1,主要內(nèi)容,一、基本知識點 二、實驗儀器 三、實驗原理 四、實驗內(nèi)容 五、實驗現(xiàn)象的受力分析,2,1. 液體表面 指液體與氣體、液體與固體以及別種不相混合的 液體之間的界面。,一、基本知識點,2. 表面張力 液體的表面，由于 表面層（其厚度等于分子 的作用半徑，約10-8 cm） 內(nèi)分子的作用，存在著一 定的張力,稱為表面張力。,3,3. 表面張力產(chǎn)生的原因 液體跟氣體接觸的表面存在一個薄層，叫做表面層，表面層里的分子比液體內(nèi)部稀疏，分子間的距離比液體內(nèi)部大一些，分子間的相互作用表現(xiàn)為引力。就象你要把彈簧拉開些，彈簧反而表現(xiàn)

2、具有收縮的趨勢。,4,5,4. 浸潤與不浸潤現(xiàn)象,當(dāng)液體和固體接觸時，若 固體和液體分子間的吸引力大 于液體分子間的吸引力，液體 就會沿固體表面擴張，形成薄 膜附著在固體上，這種現(xiàn)象稱 為浸潤；反之為不浸潤現(xiàn)象。,接觸角,6,7,5. 表面張力系數(shù),想象在液面上劃一條直線，表面張力就表現(xiàn)為直線 兩旁的液膜以一定的拉力相互作用。拉力 f 存在于表面 層，方向恒與直線垂直，大小與直線的長度 L 成正比， 即 f L,式中稱為表面張力系 數(shù)，它等于沿液面作用在分 界線單位長度上的表面張力, 其單位為Nm-1。它的大小 與液體的成分、純度、濃度 以及溫度有關(guān)。,8,1.底座及調(diào)節(jié)螺絲 2.升降調(diào)節(jié)螺母

3、 3.培養(yǎng)皿 4.金屬片狀圓環(huán) 5.硅壓阻式力敏傳感器及金屬外殼 6.數(shù)字電壓表,二、實驗儀器,1. 實驗裝置,9,2. 硅壓阻式力敏傳感器的結(jié)構(gòu)及原理,（1）傳感器 傳感器是將感受的物理量、化學(xué)量等信息，按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于測量和傳輸?shù)男盘柕难b置。電信號易于處理，所大多數(shù)的傳感器是將物理量等信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出的。,10,（3）原理,UB F 式中: F ：外力的增量 B ：傳感器的靈敏度 U ：相應(yīng)的電壓改變量,靈敏度：傳感器輸出量增量與相應(yīng)輸入量增量之 比，單位為 mv/N。它表示每增加 1N 的 力，力敏傳感器的電壓改變量為 B mv。,11,1. 拉脫法 測量一個已知周長的金屬圓環(huán)

4、或金屬片從從待測液體 表面脫離時所需的拉力，從而求得該液體表面張力系數(shù)的 方法稱為拉脫法。所需的拉力是由液體表面張力、環(huán)的內(nèi) 外徑及液體材質(zhì)、純度等因素決定。 2. 吊環(huán)法和吊片法比較 （1）吊環(huán)法：使用金屬細(xì)線制成吊環(huán)時，在液膜被拉破的瞬 間接觸角不接近于零，此時所測得的力是表面 張力向下的分量，因而所得表面張力系數(shù)誤差 較大，必須用修正公式對測量結(jié)果進行修正。,三、實驗原理,12,（2）吊 片 法：雖然液膜被拉破的瞬間接觸角趨近于零， 但在具體測量時，由于吊片在拉脫過程 中容易發(fā)生傾斜,實驗時吊片的長度上限 為34cm，而在測量力時，則希望力大 一點,有利于提高測量精確度。 （3）片狀吊環(huán)

5、：新設(shè)計有一定厚度的片狀吊環(huán)。經(jīng)過對 不同直徑吊環(huán)的多次試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)調(diào)換 直徑等于或略大于3.3cm時,在液膜被拉 破的瞬間液體與金屬環(huán)之間的接觸角接 近于零，此時接觸面總周長約為20cm左 右。在保持接觸角為零時，能得到一個 較大的待測力。,13,3. 實驗原理,使用片狀吊環(huán)，在液膜拉破前瞬 間，考慮一級近似，認(rèn)為液體的 表面張力為： f = f1 + f2 = (D1+ D2) 這里為表面張力系數(shù)，D1、 D2分別為吊環(huán)的外徑和內(nèi)徑。,液膜拉破前瞬間的受力分析圖,片狀吊環(huán)在液膜拉破前瞬間有： F1 = mg + f1 + f2 此時傳感器受到的拉力F1和輸出電壓U1成正比，有： U1 =

6、BF1,14,片狀吊環(huán)在液膜拉破后瞬間有： F2 = mg 同樣有 U2 = BF2 片狀吊環(huán)在液膜拉破前后電壓的 變化值可表示為：,液膜拉破后瞬間的受力分析圖,U1 U2 = U = B F = B（F1 F2）= B(D1+ D2) 由上式可以得到液體的表面張力系數(shù)為:,這里U1液膜拉斷前瞬間電壓表的讀數(shù) U2 液膜拉斷后瞬間電壓表的讀數(shù),15,1. 實驗方法 （1）接通數(shù)字電壓表及直流電源，預(yù)熱15分鐘。保證測力方向和傳感器 起彈簧片的平面垂直。 （2）傳感器定標(biāo)：掛上砝碼盤將數(shù)字電壓表調(diào)零，等質(zhì)量的加砝碼，依 次從電壓表讀出相應(yīng)的電壓輸出值，求出傳感 器的靈敏度B。 （3）將片狀吊環(huán)洗

7、凈，掛在小鉤上，調(diào)節(jié)升降螺母，將其浸沒于液體中, 反方向調(diào)節(jié)升降螺母，液面逐漸下降，這時，金屬環(huán)和液面形成一 環(huán)形液膜，繼續(xù)使液面下降，測出液膜拉斷前瞬間電壓表的讀數(shù)U1 和液膜拉斷后瞬間電壓表的讀數(shù)U2。 （4）計算得到傳感器的靈敏度B和液體的表面張力系數(shù)。,四、實驗內(nèi)容,16,2. 定標(biāo),向砝碼盤內(nèi)一次加不同質(zhì)量的砝碼，測出相應(yīng) 拉力時傳感器的電壓輸出值，實驗結(jié)果見表1。靈敏度B 表1 力敏傳感器定標(biāo),17,自來水,18,3. 實驗結(jié)果,（1）自來水表面張力系數(shù)的測定,19,（2）可樂表面張力系數(shù)的測定,20,=,= E=,（3）結(jié)果表示,21,對整個的實驗過程，可以分為以下3個階段：,五、實驗現(xiàn)象的受力分析,吊環(huán)浸沒在水中， 電壓表顯示負(fù)值,反方向旋轉(zhuǎn)螺母， 電壓表讀數(shù)增加,繼續(xù)旋轉(zhuǎn)讀數(shù)增 加到一個最大值,繼續(xù)旋轉(zhuǎn)， 讀數(shù)開始減小,減小到某一個 值，液膜破裂,此時，觀察電壓表 讀數(shù)，記下U1、U2,階段1,階段2,階段3,22,1. 階段1的受力分析,吊環(huán)下沿浸沒在水中時，有,吊環(huán)下沿拉離水面，開始拉起液膜時，有,電壓表讀數(shù)達到最大值，此時有,這里，f 為表面張力,23,達到最大值后，繼續(xù)反方向轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)螺母，可以發(fā) 現(xiàn)，電壓表讀數(shù)開始減小，這主要是因為附著在液膜上 的水在重力的作用下向下滑，