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实验讲义-液体表面张力-2012.9.doc

实验讲义-液体表面张力-2012.9

ujuck 2012-11-03 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《实验讲义-液体表面张力-2012.9doc》,可适用于高等教育领域,主题内容包含液体表面张力系数的测量表面现象广泛见诸于钢铁生产焊接印刷复合材料的制备等过程中。液体表面张力系数是表征液体性质的一个重要参数。测量液体表面张力系数有符等。

液体表面张力系数的测量表面现象广泛见诸于钢铁生产焊接印刷复合材料的制备等过程中。液体表面张力系数是表征液体性质的一个重要参数。测量液体表面张力系数有多种方法如最大泡压法毛细管法拉脱法。许多现象表明液体表面具有收缩到尽可能小的趋势这是液体分子间存在相互作用力的宏观表现。从微观角度看液体表面具有厚度为分子吸引力有效半径的表面层处于表面层内的分子比液体内部的分子少了一部分能与之吸引的分子因此出现了一个指向液体内部的吸引力使得这些分子具有向液体内部收缩的趋势。而从能度看任何内部分子欲进入表面层就要克服这个吸引力而做功。显见表面层有着比液体内部更大的势能(表面能)且液体表面积越大表面能也越大。而任何体系总以势能最小的状态最为稳定所以液体要处于稳定状态液面就必须缩小以使其表面能尽可能小宏观上就表现为液体表面层内的表面张力。我们想象在液体表面画一条直线表面张力就表现为线段两边的液面以一定的拉力相互作用而力的方向与线段垂直力的大小与该段直线的长度成正比即()其中比例系数称为液体的表面张力系数单位为Nm。当液体表面与其蒸汽或空气相接触时表面张力仅与液体本身的性质及其温度有关。一般情况下密度小、容易蒸发的液体其较小而熔融金属的则很大。对于同种液体温度越高其越小。当液体与固体相接触时不仅取决于液体自身的内聚力而且取决于液体分子与其接触的固体分子之间的吸引力(称为附着力)。当这个附着力大于内聚力时液体就会沿固体表面扩展这种现象称为润湿。当这个附着力小于内聚力时液体就不会在固体表面扩展称为不润湿。润湿与不润湿取决于液体、固体的性质如纯水能完全润湿干净的玻璃但不能润湿石蜡水银不能润湿玻璃却能润湿干净的铜、铁等。润湿性质与液体中杂质的含量、温度以及固体表面的清洁程度也密切相关某些杂质能使增大而表面活性物质则能使减小。教学过程【预备问题】表面张力是如何形成的?表面张力系数与那些因素有关?为了减小测量误差实验时应该注意哪些问题?【实验目的】、掌握用砝码对硅压阻式力敏传感器定标的方法并计算该传感器的灵敏度、了解拉脱法测液体表面张力系数测定仪的结构、测量原理和使用方法并用它测量纯水表面张力系数。、观察拉脱法测量液体表面张力系数的物理过程和物理现象并用物理学概念和定律进行分析研究加深对物理规律的认识、掌握读数显微镜的结构、原理及使用方法学会用毛细管测定液体的表面张力系数。、利用现有的仪器综合应用物理知识自行设计新的实验内容。【教学重点难点】重点:用拉脱法和毛细管法测量液体表面张力系数。难点:拉托瞬间的把握毛细管液面要升到一定的高度。【实验原理】一、拉脱法测量液体的表面张力系数把金属片弯成如图(a)所示的圆环状并将该圆环吊挂在灵敏的测力计上如图(b)所示然后把它浸到待测液体中。当缓缓提起测力计(或降低盛液体的器皿)时金属圆环就会拉出一层与液体相连的液膜由于表面张力的作用测力计的读数逐渐达到一个最大值F(当超过此值时液膜即破裂)则F应是金属圆环重力mg与液膜拉引金属圆环的表面张力之和。由于液膜有两个表面若每个表面的力为(为圆形液膜的周长)则有()所以()圆形液膜的周长L与金属圆环的平均周长相当若圆环的内、外直径分别为。则圆形液膜的周长LL’=(DD)()将()式代入()式得()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比。即()式中ΔF为外力的大小K为硅压阻式力敏传感器的灵敏度单位为VNΔU为传感器输出电压的大小。二、毛细管升高法测液体的表面张力系数一只两端开口的均匀细管(称为毛细管)插入液体当液体与该管润湿且接触角小于时液体会在管内上升一定高度。而当接触角大于时液体在管内就会下降。这种现象被称为毛细现象。本实验研究玻璃毛细管插入水中的情形。如图所示为表面张力其方向沿着凹球面的切线方向大小为其中为毛细管的内孔半径。设为接触角(与液体和管壁材料的性质有面的部关)凹球面的半径为由图可知由表面张力产生的、垂直向上提高液面的力为若忽略上分液体的重量则这个力与毛细管中高为的液柱重量平衡即()所以()式ρ中为液体的密度为重力加速度。如果玻璃管壁和水都非常清净则而()而式变为()在推导公式()时忽略了毛细管中凹球面下端与上端之间液体的重量为了得到更精确的计算公式必须考虑这部分液体的重量。该部分液体的体积约等于半径为r、高也为r的圆柱体体积和半径为r的球体积的一半之差即故忽略的液体重量为。当考虑这部分液体重量后可得()由上式可知只要测出毛细管的内径d和上升的液柱高h就可算出表面张力系数σ。【实验仪器】、表面张力系数测定仪如图所示包括硅扩散电阻非平衡电桥的电源和测电桥失去平衡时输出电压大小的数字电压表、铁架台、微调升降台、装有力敏传感器的固定杆、盛液体的玻璃器皿一套、铝合金圆形吊环一个、g砝码七只(定标用)其它仪器包括镊子(取砝码、砝码盘和挂吊环用)待测液体水烧杯温度计等。、读数显微镜玻璃毛细管。【实验内容】一、:拉脱法测水表面张力系数、实验准备()连线后接通主机电源开机预热。()调节铁架台上的三个水平调节螺丝使铁架台水平。()清洗玻璃器皿()预热分钟后可对力敏传感器定标。、硅压阻力敏传感器定标()将砝码盘挂在力敏传感器的挂钩上。()将数字电压表调零。()依次加入g的砝码待稳定后记下电压表读数。注意放砝码时应尽量轻。每次增加g砝码待稳定后记下电压表读数Ui(i=…)。、水表面张力系数的测量()将砝码盘取下来换上吊环使吊环平面成水平状态。()在玻璃器皿内放入被测液体并安放在升降台上。()在测定液体表面张力系数过程中可观察到液体产生的浮力与张力的情况与现象以顺时针转动升降台大螺帽时液体液面上升当吊环下沿部分均浸入液体中时改为逆时针转动该螺帽这时液面往下降(或者说相对吊环往上提拉)观察环浸入液体中及从液体中拉起时的物理过程和现象。特别应注意吊环即将拉断液膜前一瞬间数字电压表读数值为U拉断时瞬间数字电压表读数为U。记下这两个数值这时重复测量次。二、毛细管升高法测表面张力系数、将烧杯装入适量纯水后放在支架上将洗净烘干的毛细管插入液体中使之铅直可见到液体将沿毛细管上升到一定高度。、调节望远镜焦距使看清被测毛细管在上下慢慢移动显微镜使望远镜中十字叉丝的水平线与毛细管中液体凹面的下沿相切记下该读数然后移动显微镜使十字叉丝的水平线与玻璃器皿中液体凹面的下沿相切再记下该读数两读数之差即为液柱高h。重复测量次将所得数据记入表格中。、将毛细管取出平放在木盒上对准显微镜筒调节焦距直至观察到清晰的毛细管圆孔图像测出内径d转动毛细管放在不同的方位测五次将所得数据记入表格中。【数据处理】、硅压阻力敏传感器定标表力敏传感器定标次数砝码重(g)传感器增重读数(mv)传感器减重读数(mv)平均(mv)用最小二乘法拟合得得仪器的灵敏度K并求得线性相关系数r。、纯水液体表面张力系数的测量表纯水的表面张力系数测量(水的温度T=)次数U(mv)U(mv)U(mv)f(N)根据公式计算在室温下纯水的表面张力系数α。然后与标准值相比较求出相对不确定度并写出结果表达式。二、毛细管法、毛细管法测液体的表面张力系数数据表(T=)、与拉脱法测量的结果比较分析误差原因。次数毛细管液面下沿(mm)烧杯液面下沿(mm)液柱高度(mm)毛细管内侧下沿(mm)毛细管内侧上沿(mm)毛细管内径(mm)【思考题】、表面张力与哪些因素有关?实验中应注意哪些因素才能减小误差、若吊环的下沿所在平面与液面不平行测得的表面张力系数是大了还是小了?为什么?、为什么液膜破裂前的一瞬间读出U值而不是将数字电压表显示最大值作为U?、简要说明毛细管内液面能升高的原因。【注意事项】、吊环水平须调节好注意偏差o结果引入误差为%偏差o则误差、仪器开机需预热分钟、在旋转升降台时尽量使液体的波动要小、实验室不宜风力较大以免吊环摆动致使零点波动所测数据结果不正确、若液体为纯净水在使用过程中防止灰尘和油污及其它杂质污染特别注意手指不要接触被测液体、力敏传感器使用时用力不宜大于N过大的拉力容易损坏传感器、使用读数显微镜时要注意:为了防止回程误差在测量时应向同一方向转动鼓轮使叉丝和各目标对准当移动叉丝超过了目标时就要多退回一些重新再向同方向转动螺轮去对准目标。PAGEunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknown

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