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1、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
2、.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。,接触角,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 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。,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
3、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。,11,（3）原理,UB 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
4、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
5、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=f1+f2=(D1+D2)这里为表面张力系数，D1、D2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：F1=mg+f1+f2 此时传感器受到的拉力F1和输出电压U1成正比，有：U1=BF1,15,片状吊环在液膜拉破后瞬间有：F2=mg 同样有 U2=BF2片状吊环在液膜拉破前后电压的 变化值
6、可表示为：,液膜拉破后瞬间的受力分析图,U1 U2=U=B F=B（F1 F2）=B(D1+D2)由上式可以得到液体的表面张力系数为:,这里U1液膜拉断前瞬间电压表的读数 U2 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
7、瞬间电压表的读数U1 和液膜拉断后瞬间电压表的读数U2。（4）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,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,18,自来水,19,3.实验结果,（1）自来水表面张力系数的测定,20,（2）可乐表面张力系数的测定,21,=,=E=,（3）结果表示,22,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U1、U2,阶段1,阶段2,阶段3,23,1.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,24,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,25,3.阶段3的受力分析,在液膜拉破前瞬间有：F1=mg+f1+f2=mg+f,在液膜拉破后瞬间有：F2=mg,由此，可以得到液体的表面张力：,液体的表面张力系数,26,
