表面张力系数的测定

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1、5.2.1表面张力系数的测定（本文内容选自高等教育出版社《大学物理实验》）为什么少量水银在干净的玻璃板上会收缩成球冠状，而水则会扩展开来？为什么朝霞里青草上会洒满晶莹的露珠？其原因在于液体和固体界面附近分子的相互作用。表面张力描述了液体表层附近分子力的宏观表现，在船舶制造、水利学、化学化工、凝聚态物理中都能找到它的应用。测量液体（例如水）的表面张力系数有多种方法，如最大泡压法、平板法（亦称拉普拉斯法）、毛细管法、焦利氏秤法、扭力天平法等。这里只介绍焦利氏秤法。在本实验中要着重学习焦利氏秤独特的设计原理，并用

2、它测量液体的表面张力系数。实验原理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展，这种现象叫润湿。若固体和液体分子间的吸引力小于液体分子间的吸引力，液体就不会在固体表面扩展，叫不润湿。润湿与否取决于液体、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度密切相关，实验中要予以特别注意。液体表层内分子力的宏观表现，使液面具有收缩的趋势。想象在液面上划一条线，表面张力

3、就表现为直线两侧的液体以一定的拉力相互作用。这种张力垂直于该直线且与线的长度成正比，比例系数称为表面张力系数。把金属丝AB弯成如图5.2.1-1(a)所示的形状，并将其悬挂在灵敏的测力计上，然后把它浸到液体中。当缓缓提起测力计时，金属丝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最大值F（超过此值，膜即破裂）。则F应当是金属丝重力mg与薄膜拉引金属丝的表面张力之和。由于液膜有两个表面，若每个表面的力为F’，则由4得（1）显然，表面张力F’是存在于液体表面上任何一条分界线两侧间的液

4、体的相互作用拉力，其方向沿着液体表面，且垂直于该分界线。表面张力F’的大小与分界线的长度成正比。即（2）式中σ称为表面张力系数，单位是N/m。表面张力系数与液体的性质有关，密度小而易挥发的液体σ小，反之σ较大；表面张力系数还与杂质和温度有关，液体中掺入某些杂质可以增加σ，而掺入另一些杂质可能会减小σ；温度升高，表面张力系数σ将降低。测定表面张力系数的关键是测量表面张力F’。用普通的弹簧是很难迅速测出液膜即将破裂时的F的，应用焦利氏秤则克服了这一困难，可以方便地测量表面张力F’。实验内容焦利氏秤由固定在底座上

5、的秤框、可升降的金属杆和锥形弹簧秤等部分组成，如图5.2.1-2所示。在秤框上固定有下部可调节的载物平台、作为平衡参考点用的玻璃管和作弹簧伸长量读数用的游标；升降杆位于秤框内部，其上部有刻度，用以读出高度，框顶端带有螺旋，供固定锥形弹簧秤用，杆的上升和下降由位于秤框下端的升降钮控制；锥形弹簧秤由锥形弹簧、带小镜子的金属挂钩及砝码盘组成。带镜子的挂钩从平衡指示玻璃管内穿过，且不与玻璃管相碰。4焦利氏秤和普通的弹簧秤有所不同：普通的弹簧秤是固定上端，通过下端移动的距离来称衡，而焦利氏秤则是在测量过程中保持下端固

6、定在某一位置，靠上端的位移大小来称衡。其次，为了克服因弹簧自重引起弹性系数的变化，把弹簧做成锥形。由于焦利氏秤的特点，在使用中应保持让小镜中的指示横线、平衡指示玻璃管上的刻度线及其在小镜中的像三者对齐，简称为三线对齐，作为弹簧下端的固定起算点。1．确定焦利氏秤上锥形弹簧的劲度系数（1）把锥形弹簧，带小镜子的挂钩和小砝码盘依次安装到秤框内的金属杆上。调节支架底座的底脚螺丝，使秤框竖直，小镜子应正好位于玻璃管中间，挂钩上下运动时不致与管摩擦。（2）逐次在砝码盘内放入砝码，调节升降钮，做到三线对齐。记录升降杆的位

7、置读数。用逐差法和作图法计算出弹簧的劲度系数。2．测量自来水的表面张力系数（1）用钢板尺测量金属圈的直径和金属丝两脚之间的距离s。（2）取下砝码，在砝码盘下挂上已清洗过的金属圈，仍保持三线对齐，记下升降杆读数l0。（3）把盛有自来水的烧杯放在焦利氏秤台上，调节平台的微调螺丝和升降钮，使金属圈浸入水面以下。（4）4缓慢地旋转平台微调螺丝和升降钮，注意烧杯下降和金属杆上升时，始终保持三线对齐。当液膜刚要破裂时，记下金属杆的读数。测量3次，取平均，计算自来水的表面张力系数和不确定度。1．测量肥皂水的表面张力系数用

8、金属丝代替金属圈，重新确定弹簧的起始位置l0，测量步骤同2。思考题1．焦利氏秤法测定液体的表面张力有什么优点？2．有人利用润湿现象设计了一个毛细管永动机（图5.2.1-3）。A管中液面高于B管，由连通器原理，B管下端滴水，而滴水可以作功，水又回到槽内，成为永动机。试分析其谬误所在。4