液体的表面张力与液体的表面现象
在日常生活中，只要你稍加留意，就会观察到许多与液体表面张力有关的现象。如草叶上晶莹剔透的露珠，荷叶上滚动着的小水滴，玻璃板上的小水银滴等，它们为什么都是球形或近似球形？这就是因为液体表面张力的作用结果。当用细管吹出一个个五彩缤纷的肥皂泡时，在泡膜的表面上就布满了液体表面张力。用数学可以证明，在体积相同的各种形状的几何体中，球体的表面积最小。正是由于表面张力的作用，才会出现露珠、小水银滴等都收缩为球形的现象。
你若有机会观察护士给病人输液，你会看到在输液之前，护士总是要把输液管中的空气泡排除干净。不然的话，若让那些气泡混入人体血管中，在表面张力的作用下，气泡将会阻碍血液的正常流动。
下面就来分析一下液体的表面张力，以及液体表面现象发生的原因。
1 表面张力的成因、大小和方向
表面张力就是促使液体表面收缩的力。液体与气体的交界面（属于液体薄层），称为表面层。在表面层中，液体分子因受到液体内部分子的引力，而有一部分会被拉入液体内，致使表面层液体分子密度小于液内分子密度。表面层中液体分子的这种布局，使得液体表面层就像一张“绷紧”的橡皮膜，而具有收缩趋势。表面层一直处在具有收缩趋势的表面张力作用之下。
这里应指出，液体表面张力与橡皮膜张力在本质上是不同的。橡皮膜的分子间距会随着膜面积的增大而增大。而液体表面张力却不受面积变化的影响，当液体表面层面积增大时，液内分子会自动进入液面来补充，从而维持液面内分子间距不变。
可以用一个很简单的实验，来可说明表面张力的存在。取一段铜丝制成一个直径约
cm ～85的圆环，在环上跨系一根细红线（用红线易于观察）
。将环浸入洗洁精溶液再取出，环上蒙了一层液膜，这时用粉笔头轻触线一侧的液膜，原来自由弯曲的红线则立即被液膜拉向另一侧，成为一段张紧的弧线。实验表明，液体表面具有收缩到最小面积的趋势。同时它还表明，表面张力的方向垂直于任一周界线且与液面相切。
理论和实验表明，表面张力的大小，可用如下公式表示：
???==)(2)(双表面层单表面层L F L F αα
上式中，α称为表面张力系数。α与液体的种类、温度等因素有关。不同的液体，α不同；同一种液体，α随温度升高而减小。另外，α也与液体中的杂质有关。因此，当人体使用了某些药物后，血液或尿液的表面张力系数则会发生变化。
在生活中有许多与表面张力有关的现象。例如，对人来说，重力有时会造成很大的麻烦。人若不慎从高处落下，可能会被摔得不轻。而小昆虫一点也不害怕重力，它在落下时一点危险也没有。但表面张力对某些昆虫来说则有可能造成很大威胁，小昆虫有时最怕表面张力。当一个成人从浴池中站起时，他身上会带起厚约mm 2.0的一层水，这些水大约kg 5.0，不到人体重的%1，这对人来说不会感到有什么负担。即使是人的全身涂满了肥皂泡沫，其表面张力对人也不会产生任何威胁。而一只蚊子一旦被肥皂泡沫弄湿，它将很危险。这时蚊子将难逃表面张力“法网”。
2 球形液面的附加压强（s p ）
下面来讨论球形液面附加压强的大小和方向。这里使用球形液面进行分析，主要是考虑数学处理上的简便，所得结论也可以近似地应用于非球形的弯曲液面（也称弯月面）。
对于球形液面，由于液面是弯曲的，其表面张力将产生一个附加压强（用s p 表示）。球形液面附加压强的大小可以用球面膜的拉普拉斯公式来计算：
?????????===)(2)(2)(4如毛细管中的水面近似半球形液面如球形露珠单表面层如球形肥皂泡双表面层，R p ，R p ，R p s s s α
αα
上式表明，s p 的大小与表面张力系数成正比，与球面的半径成反比。附加压强s p 的方向总是指向球形液面的球心（或是指向弯曲液面的曲率中心）。
3 气体栓塞现象
液体在细管中流动时，如果管中有气泡，液体的流动就会受到一定的阻碍。若气泡数量过多，则可能发生堵塞，液体不能流动，即产生气体栓塞现象。护士在给病人输液时必须排除管路中气泡，就是基于这个道理。
下面运用表面张力和附加压强知识来解释气体栓塞是如何形成的。
设液体在细管中从A 向B （从左向右）流动，并设管两端的压强分别为A p 和B p ，且B A p p >，管两端压强差B A p p p -=?。如果细管中有一个气泡，设气泡半径等于细管的半径，并且液体仍能流动，由于液体粘滞性以及受到压强差B A p p p -=?作用，气泡左、右两端面就会发生形变，左端液面的曲率半径变大，右端液面的曲率半径变小。由于弯曲液面附加压强与液面的曲率半径成反比，这时左端液面的附加压强SA p 小于右端液面的附加压强
SB p 。气泡两端面的附加压强之差为SA SB S p p p -=?，S p ?的方向由B 指向A （向右）
，总与液体流动方向相反。如果此时S p p ?>?，这时液体仍可带动该气泡一起流动。
如果管中有n 个气泡，这些气泡的附加压强差为S p n ?。只有当p p n S ?
4 浸润和不浸润现象
液体跟固体接触的液体薄层，称作附着层。在液体跟固体接触时，会出现两种情况，一种是液体能附着在固体表面，使附着层扩展，这称为浸润现象（如水对清洁的玻璃）；另一种是液体不能附着在固体表面，使附着层收缩，这称为不浸润现象（如水银对玻璃）。
浸润和不浸润现象就是液体和固体接触时发生在附着层上的液体表面现象。产生这种现象的根本原因，来自于分子之间的相互作用。处在附着层内的液体分子，受到两种吸引力的作用。一种是液体分子之间的吸引力，这称为内聚力。一种是液体分子和固体分子间的吸引力，这称为附着力。
如果内聚力小于附着力，附着层中的任一分子所受的合力与附着层垂直，且指向固体一侧，液体分子纷纷挤向附着层，附着层内液体分子增多，从而导致附着层扩展。而附着层的
扩展必将引起表面层的面积增大，表面张力则要收缩表面层，以抗衡所造成的表面层的面积增大，最终当表面张力、内聚力、附着力这三力平衡时，即形成浸润现象。
如果内聚力大于附着力，附着层中的任一分子所受的合力与附着层垂直，且指向液内一侧，液体分子纷纷挤向液体内部，附着层中的液体分子减少，从而导致附着层收缩。附着层收缩必将引起表面层的面积增大，表面张力则要收缩表面层，以抗衡所造成的表面层的面积增大，最终当表面张力、内聚力、附着力三力平衡时，即形成不浸润现象。
5 毛细现象
在管内径很细的细管中，不论液体对固体是浸润或不浸润，其结果都使液面在细管中形成凹的或凸的弯月面。浸润时，液面是凹的（如水在细玻璃管内液面为凹面）；不浸润时，液面是凸的（如水银在细玻璃管内液面为凸面）。很显然，细管的内径越小，液面的弯曲程度越接近于半球面。
通常把内径很细（一般小于mm 1）的管子称为毛细管（因管径细如毛发而得此名）。若把几根内径不同的细玻璃管插入水中，这时因为水与玻璃是浸润的，则可看到管内水柱表面要比管外容器中的水面高，管内径越小，管内的水柱表面就越高。若把几根细玻璃管插入水银中，所看到的现象正好与浸润时的相反，管内的水银柱表面会比管外容器中的水银面低，管内径越小，管内的水银柱表面就越低。
浸润液体在毛细管里液面升高现象和不浸润液体在毛细管里液面降低的现象，称为毛细现象。为什么会发生毛细现象呢？现以浸润液体在毛细管中液面上升为例来分析这个问题，这其中包括多个力之间的相互作用。一是由于附着力使附着层扩展而使表面层的面积增大；二是凹弯月面上的表面张力为了使液面收缩，就要把液面下的液体向上拉，导致液体在毛细管内上升；三是上升的液柱又受到方向向下的重力的作用。直到出现附着力、表面张力和上升液柱所受重力这三个力平衡时，管内液柱则稳定在一定高度。很显然，管内径越细，管内液柱的上升越高。同样道理，也可说明不浸润液体在毛细管内液面下降的现象。
下面来计算毛细现象中液面上升的高度。为了方便数学处理，可近似认为毛细管内的液面为半球面。设毛细管的内半径为r ，液体的表面张力系数为α。这时表面张力的合力方向竖直向上，其作用周界为r π2，表面张力的合力为απr F 2=。当液体在毛细管内上升的高度为h 时，表面张力跟毛细管内上升液柱所受重力这二力平衡。如果液体的密度是ρ，则这段液柱所受的重力为h r g G 2πρ=。因为G F =，所以 h r g r 22πραπ=，由此可得
gr
h ρα2= 上式表明，浸润液体在毛细管中上升的高度与表面张力系数成正比，与毛细管内半径跟液体密度的乘积成反比。毛细管内径越细，管内液柱就越高。上式同样适用于计算不浸润液体在毛细管内液柱的降低高度。
在医护工作中，用脱脂药棉制成棉签、棉球，常用于注射时消毒和外科清创，这是充分利用浸润时的毛细现象。外科手术缝合线需要经过蜡处理，使其不浸润，以减少皮下组织液渗出，减少或排除细菌感染的机会，这是充分利用不浸润时的毛细现象。
6 肺泡上的表面张力
由于肺泡内壁分布着一层粘性液体，它与肺泡内的气体之间形成一个液–气交界面，因
而具有表面张力。此表面张力会在肺泡内表面产生一个附加压强r
P S α2=。 在人的肺泡内表面上分布着一种能减小表面张力系数的物质。这种表面活性物质是二软酯酰卵磷脂与一种特殊的脱辅基蛋白相结合而成的脂蛋白。这种物质的存在，能降低肺泡的表面张力系数。对维持人的正常呼吸具有重要意义。
下面就来分析一下表面张力在呼吸过程中的作用。
当吸气时，肺泡容积增大，肺泡内表面上的表面活性物质的密度随着减少，降低表面张力系数的作用减小，肺泡表面张力系数相应增大，有利于转向呼气。当呼气时，肺泡容积减小，肺泡内表面上的表面活性物质的密度随着增加，能显著降低表面张力系数，肺回缩力随之减弱，使缩小的肺泡不致萎缩，以维持正常的功能余气量，并有利于吸气时肺泡的重新扩张。这说明，肺泡上的表面活性物质并不是简单地减小表面张力系数使肺泡易于扩张，而是随着呼吸周期来调节肺泡的表面张力系数。
同样道理，也可说明新生儿第一次呼吸和第一声啼哭的重要性。胎儿的肺泡原为粘液所覆盖，表面张力的作用使肺泡完全闭合。在临产时肺泡内表面开始分泌表面活性物质，但新生儿仍需以大声啼哭的强烈动作来克服表面张力作用，完成第一次呼吸，这样才有可能使肺泡具备正常的呼吸功能。如果新生儿不能自主完成第一次呼吸（第一声啼哭），医护人员则要采取措施予以抢救。
肺泡上的表面活性物质在肺泡II 型上皮细胞内合成，然后释放于肺泡内表面，又由巨噬细胞不断地清除，因而能不断地更新。如果这种表面活性物质合成不足或缺乏，表面张力系数将不能得到有效的调节，这时肺的功能将会发生障碍。
液体的表面张力与液体的表面现象 在日常生活中，只要你稍加留意，就会观察到许多与液体表面张力有关的现象。如草叶上晶莹剔透的露珠，荷叶上滚动着的小水滴，玻璃板上的小水银滴等，它们为什么都是球形或近似球形？这就是因为液体表面张力的作用结果。当用细管吹出一个个五彩缤纷的肥皂泡时，在泡膜的表面上就布满了液体表面张力。用数学可以证明，在体积相同的各种形状的几何体中，球体的表面积最小。正是由于表面张力的作用，才会出现露珠、小水银滴等都收缩为球形的现象。 你若有机会观察护士给病人输液，你会看到在输液之前，护士总是要把输液管中的空气泡排除干净。不然的话，若让那些气泡混入人体血管中，在表面张力的作用下，气泡将会阻碍血液的正常流动。 下面就来分析一下液体的表面张力，以及液体表面现象发生的原因。 1 表面张力的成因、大小和方向 表面张力就是促使液体表面收缩的力。液体与气体的交界面（属于液体薄层），称为表面层。在表面层中，液体分子因受到液体内部分子的引力，而有一部分会被拉入液体内，致使表面层液体分子密度小于液内分子密度。表面层中液体分子的这种布局，使得液体表面层就像一张“绷紧”的橡皮膜，而具有收缩趋势。表面层一直处在具有收缩趋势的表面张力作用之下。 这里应指出，液体表面张力与橡皮膜张力在本质上是不同的。橡皮膜的分子间距会随着膜面积的增大而增大。而液体表面张力却不受面积变化的影响，当液体表面层面积增大时，液内分子会自动进入液面来补充，从而维持液面内分子间距不变。 可以用一个很简单的实验，来可说明表面张力的存在。取一段铜丝制成一个直径约 cm ～85的圆环，在环上跨系一根细红线（用红线易于观察） 。将环浸入洗洁精溶液再取出，环上蒙了一层液膜，这时用粉笔头轻触线一侧的液膜，原来自由弯曲的红线则立即被液膜拉向另一侧，成为一段张紧的弧线。实验表明，液体表面具有收缩到最小面积的趋势。同时它还表明，表面张力的方向垂直于任一周界线且与液面相切。 理论和实验表明，表面张力的大小，可用如下公式表示： ???==)(2)(双表面层单表面层L F L F αα 上式中，α称为表面张力系数。α与液体的种类、温度等因素有关。不同的液体，α不同；同一种液体，α随温度升高而减小。另外，α也与液体中的杂质有关。因此，当人体使用了某些药物后，血液或尿液的表面张力系数则会发生变化。 在生活中有许多与表面张力有关的现象。例如，对人来说，重力有时会造成很大的麻烦。人若不慎从高处落下，可能会被摔得不轻。而小昆虫一点也不害怕重力，它在落下时一点危险也没有。但表面张力对某些昆虫来说则有可能造成很大威胁，小昆虫有时最怕表面张力。当一个成人从浴池中站起时，他身上会带起厚约mm 2.0的一层水，这些水大约kg 5.0，不到人体重的%1，这对人来说不会感到有什么负担。即使是人的全身涂满了肥皂泡沫，其表面张力对人也不会产生任何威胁。而一只蚊子一旦被肥皂泡沫弄湿，它将很危险。这时蚊子将难逃表面张力“法网”。
xx 大学实验报告 一【实验目的】 （1） 掌握力敏传感器的原理和方法 （2） 了解液体表面的性质，测定液体表面张力系数。 二【实验内容】 用力敏传感器测量液体表面的张力系数 三【实验原理】 液体具有尽量缩小其表面的趋势，好像液体表面是一张拉紧了的橡皮膜一样。 这种沿着表面的、收缩液面的力称之为表面张力。 测量表面张力系数的常用方法：拉脱法、毛细管升高法和液滴测重法等。此试验中采用了拉脱法。拉脱法是直接测定法，通常采用物体的弹性形变（伸长或扭转）来量度力的大小。液体表面层内的分子所处的环境跟液体内部的分子不同。液体内部的每一个分子四周都被同类的其他分子所包围，他所受到的周围分子合力为零。由于液体上方的气象层的分子很少，表层内每一个分子受到的向上的引力比向下的引力小，合力不为零。这个力垂直于液面并指向液体内部。所以分子有从液面挤入液体内部的倾向，并使得液体表面自然收缩，直到处于动态平衡。 假如在液体中浸入一块薄钢片，则钢片表面附近的液面将高于其它处的,如图1所示。 由于液面收缩而产生的沿切线方向的力Ft 称之为表面张力，角φ称之为接触角。当缓缓拉出钢片时，接触角φ逐
渐的减小而趋于零，因此Ft方向垂直向下。在钢片脱离液体前诸力平衡的条件为 F = mg + F t （1）其中F是将薄钢片拉出液面的时所施加的外力，mg为薄钢片和它所沾附的液体的总重量。表面张力Ft与接触面的周长2(l+d)成正比，故有Ft = 2σ(l+d),式中比例系数σ称之为表面张力系数，数值上等于作用在液体表面单位长度上的力。将Ft代入式（1）中得 （2） 当用环形丝代替薄钢片做此实验时，设环的内外直径为D1、D2,当它从液面拉脱瞬间传感器受到的拉力差 f = F–m g =π(D1+D2)σ,此时 （3）只要测出力f和环的内外直径，将它们代入式(3)，即可算出液体的表面张力系数σ。式中各量的单位统一为国际单位。 四【实验仪器】 （1）FD—NST—B 液体表面张力系数测定仪。 （2）砝码六个，每个质量 五【实验步骤】 （1）开机预热。 （2）清洗玻璃器皿和吊环。 （3）在玻璃器皿内放入被测液体并安放在升降台上。 （4）将砝码盘挂在力敏传感器上，对力敏传感器定标。 （5）挂上吊环，测定液体表面张力系数。当环下沿全部浸入液体内时，转动升降台的螺帽，使液面往下降。 记下吊环拉断液面瞬间时的电压表的读数U1，拉断后瞬间电压表的读数U2。则f=(U1-U2)/B 六【实验注意事项】 （1）轻轻挂上吊环，必须调节好水平。 （2）在旋转升降台时，尽量是液体的波动要小。
表面张力的测量方法 英才学院 1236305 张雍淋 6121810519 液体表面张力测量在化学、医药、生物工程等领域具有重要意义， 根据液体表面张力的大小可以确定表面活性并计算表面活性剂在溶液表面的吸附量；在合金液体体系中，借助于表面张力还可以评价金相组织及孕育效果等重要参数。目前，测量液体表面张力系数有毛细上升法、最大气泡压力法、液滴法等。 1. 毛细上升法 这个方法，研究的比较早，在理论和实际上都比较成熟。如图 1所示，干净的毛细管浸入液体内部时，如果液体间的分子力小于液体与管壁间的附着力，则液体表面呈凹形。此时表面张力产生的附加力为向上的拉力，并使毛细管内的液面上升, 直到液柱的重力与表面张 力相平衡。 图 1 212cos ()g r r gh πσθπρρ=- 1()2cos g ghr ρρσθ-=
其中：σ—液体的表面张力；r-毛细管的内径；θ-接触角； ρ 1ρ-液体和气体的密度；h-液柱的高度；g-当地的重力加速度。在 和 g 实际应用中一般用透明的玻璃管，如果玻璃被液体完全润湿,可以近似的认为θ= 0。 毛细上升法是测定表面张力最准确的一种方法，国际上也一直用此方法测得的数据作为标准。应用此方法时，要注意选择管径均匀, 透明干净的毛细管，并对毛细管直径进行仔细的标定；毛细管要经过仔细彻底的清洗，毛细管浸入液体时要与液面垂直。 2.最大气泡压力法 如图 2 所示，向插入液体的毛细管轻轻的吹入惰性气体(如 N 2等)。如果选用的毛细管半径很小，在管口形成的气泡基本上是球形的。并且当气泡为半球时，球的半径最小等于毛细管半径 r ；在其前后曲率半径都比r大，如图2 所示。当气泡为半球时，泡内的压力最大，管内外最大压差可由差压计测量得到。 图2
液体表面张力系数的测量 许多涉及液体的物理现象都与液体的表面性质有关，液体表面的主要性质就是表面张力。例如液体与固体接触时的浸润与不浸润现象、毛细现象、液体泡沫的形成等，工业生产中使用的浮选技术，动植物体内液体的运动，土壤中水的运动等都是液体表面张力的表现。 液体表面在宏观上就好像一张绷紧的橡皮膜，存在沿着表面并使表面趋于收缩的应力，这种力称为表面张力，用表面张力系数σ来描述。因此，对液体表面张力系数的测定，可以为分析液体表面的分子分布及结构提供帮助。 液体的表面张力系数σ与液体的性质、杂质情况、温度等有关。当液面与其蒸汽相接触时，表面张力仅与液体性质及温度有关。一般来讲，密度小，易挥发液体σ小；温度愈高， σ愈小。测量液体表面张力系数有多种方法，如拉脱法，毛细管法，平板法，最大泡压法等。本实验是用拉脱法和毛细管法测定液体的表面张力系数。 【实验目的】 1．用拉脱法测量室温下液体（水）的表面张力系数； 2. 用毛细管法测量室温下液体（水）的表面张力系数； 3．学习力敏传感器的使用和定标。 【实验原理】 一、拉脱法 测量一个已知周长L 的金属片从待测液体表面脱离时需要的力，求得该液体表面张力系数的实验方法称为拉脱法．若金属片为环状吊片时，考虑一级近似，可以认为脱离力为表面张力系数乘上脱离表面的周长，即 122()F L D D σσπ=?=?+ （1） 式中，F 为脱离力，D 1，D 2分别为圆环的外径和内径， σ为液体的表面张力系数．脱离力的测量应该为即将脱离液面测力计的读数F 1减去吊环本身的重力mg 。吊环本身的重力即为脱离后测力计的读数F 2。所以表面张力系数为： ) ()(2121211D D F F D D mg F +-=+-=ππσ (2) 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此，即 ΔΔU K F = （3） 式中，?U F 为外力的大小，K 为硅压阻式力敏传感器的灵敏度，?U 为传感器输出电压
液体表面张力实验报告 实验原理： 实验一、一元硬币上能承载几滴水? 水是由水分子组成，它们之间不是独来独往的，而是互相吸引，甚至三三两两地结合。处在中间的水分子受到来自四面八方的其他水分子的包围，受力均匀。可是处在水面的水分子情况不同，它的一面与空气接触，没有来自其他水分子的吸引力，使得它受力不均匀，水的表面好像一块张紧的弹性薄膜。 由于液体的表面有这种奇特的存在，就使得液体的表面总是处在被绷紧的状态，并尽量收缩到最小。由于在体积相同的条件下，球的面积最小，所以在表面张力的作用下，肥皂泡、小露珠、水银滴等也
就都收缩成球形了。一元硬币上能承载的水滴也相应增加了。 实验二、订书针、一分硬币能浮在水面上吗? 小木块入水后,撤掉压力还能上浮是因浮力作用，而订书针、硬币入水后,由于表面张力被破坏下沉,原来浮在水面是因水的表面张力。 其实科学就在我们的身边，就在我们的生活中，你也可以和爸爸妈妈一起动手做一做，亲自去感受去体验，做个科学小达人吧！ 处于表面的液体分子（球状模型，液体分子排列紧密），以分子B为中心的球面中的一部分在液体当中，另一部分在液面之外，由于对称性可知，CC'和DD'之间部分的受到的合力等于零；对B有效的作用力是由球面内DD'以下的部分受到的向下合力。由于处在边界内的每—个分子都受到指向液体内部的合力，所以这些分子都有向液体内部下降的趋势，同时分子与分子之间还有侧面的吸引力，即有尽量收缩表面的趋势。
以最简单的气液相界面为例，液相内分子周围所受的力是对称的，彼此相互抵消，但表面层分子由于受力不均衡，其结果受到垂直指向液体内部的拉力，所以液体表面都有自动缩小的趋势。如果要扩大表面就要把内层分子移到表面上来，这至少需要克服表面分子的拉力而做功。实际上液体分子内部所受的力是分子间作用力当然也包括氢键。因此，简单地说表面张力是范德华力和氢键微观作用在宏观上的表现。
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α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L成正比，即f L =（1） a 其中，比例系数α称为液体的表面张力系数，单位为N/m。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α较小；而熔融金属的α则很大。对于同种液体，温度越高，其α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
液体表面张力系数的测定 ［实验目的］ 1、了解液体表面张力性质以及表面张力系数的含义和影响因素. 2、理解拉脱法测量液体表面张力系数的基本原理，了解测量方法。 3、了解用液体界面张力仪定标测量微小力的思想和方法。 4、了解液体界面张力仪的调节使用方法和校准方法。 5、熟悉实验的具体内容. 6、拟定出合理的实验数据记录表格. [实验原理] 表面张力是液体表面的重要特性,它类似于固体内部的拉伸应力，这种应力存在于极薄的表面层内，是液体表面层内分子力作用的结果。作用于液面单位长度上的表面张力称为液体的表面张力系数,用来度量表面张力的大小。表面张力系数不仅与液体的种类有关,而且还与温度、纯度、表面上方的气体成分等有关.物质液体状态的许多性质都与液体的表面张力相关,如毛细现象、浸润现象等。因此，测量液体表面张力系数对于科学研究和实际应用都具有重要意义。测定液体表面张力系数的常用方法有:拉脱法，液滴测重法和毛细管升高法等。拉脱法是一种直接测定法，通过物体的弹性形变（拉伸或扭转)来度量力的大小,如扭力天平法、焦力称法等。 实验中采用拉脱法测量水与空气界面的表面张力系数。通过实验可以重点学习如下内容:（1)实验方法:测量液体表面张力系数的拉脱法。（2)测量方法:用液体界面张力仪定标测量微小力的方法。(3）数据处理方法:质量标准曲线的绘制方法.（4）仪器调整使用方法:液体界面张力仪的调整使用方法。 ［实验内容］ 1、整液体界面张力仪水平和零点，达到待测状态. 2、准液体界面张力仪。 (1)金属环上放一块小纸片,仪器调零。包括两个方面的调节：第一,调节刻度盘蜗轮，使零刻度线与游标零线重合,即读数为零;第二,调节调零微调蜗轮，使吊杆臂上的指针与平面反射镜的红线重合。 （2)在小纸片上放质量0.０005kg的砝码,测量金属环单位长度的受力Ｆ，即调节刻度盘蜗轮使指针与红线重合时刻度盘的读数. （3)计算理论值F０=ｍg/π(d１＋d2）。 （4)比较测量值Ｆ与理论值Ｆ0，如果二者相等，说明校准准确;若不相等，调节两个吊杆臂，保证两臂的长度等值缩短或伸长,使刻度盘上的读数Ｆ与理论值F0相等.重复测量几次,直至二者一致为止. 3、测量绘制质量标准曲线。 (1)仪器校准后，放置不同质量m的砝码,记录刻度盘的读数f。 (2)以m为横坐标f为纵坐标绘制质量标准曲线。
最大泡压法测定溶液的表面张力 一、实验目的 1、掌握最大泡压法测定表面张力的原理，了解影响表面张力测定的因素。 2、了解弯曲液面下产生附加压力的本质，熟悉拉普拉斯方程，吉布斯吸附等温式，了解兰格缪尔单分子层吸附公式的应用。 3、测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算饱和吸附量, 由表面张力的实验数据求正丁醇分子的截面积及吸附层的厚度。 二、实验原理 1、表面张力的产生 液体表面层的分子一方面受到液体内层的邻近分子的吸引，另一方面受到液面外部气体分子的吸引，由于前者的作用要比后者大， 因此在液体表面层中，每个分子都受到垂直 于液面并指向液体内部的不平衡力，如图所 示，这种吸引力使表面上的分子自发向内挤 促成液体的最小面积。 在温度、压力、组成恒定时，每增加单位 表面积，体系的表面自由能的增值称为单位表面的表面能（J·m-2）。若看作是垂直作用在单位长度相界面上的力，即表面张力（N·m-1）。事实上不仅在气液界面存在表面张力，在任何两相界面都存在表面张力。表面张力的方向是与界面相切，垂直作用于某一边界，方向指向是表面积缩小的一侧。 液体的表面张力与液体的纯度有关。在纯净的液体（溶剂）中如果掺进杂质（溶质），表面张力就要发生变化，其变化的大小决定于溶质的本性和加入量的多少。 由于表面张力的存在，产生很多特殊界面现象。
2、弯曲液面下的附加压力 静止液体的表面在某些特殊情况下是一个弯曲表面。由于表面张力的作用，弯曲表面下的液体或气体与在平面下情况不同，前者受到附加的压力。 弯曲液体表面平衡时表面张力将产生一合力P s ，而使弯曲液面下的液体所受实际压力与外压力不同。当液面为凹形时，合力指向液体外部，液面下的液体受到的实际压力为： P ' = P o - P s ；当液面为凸形时，合力指向液体内部，液面下的液体受到的实际压力为： P ' = P o + P s 。这一合力P S ，即为弯曲表面受到的附加压力，附加压力的方向总是指向曲率 中心。 附加压力与表面张力的关系用拉普拉斯方程表示：(式中σ为表面张力，R 为弯曲表面的曲率半径，该公式是拉普拉斯方程的特殊式，适用于当弯曲表面刚好为半球形的情况)。 3、毛细现象 毛细现象则是弯曲液面下具有附加压力的直接结果。假设溶液在毛细管表面完全润湿，且液面为半球形，则由拉普拉斯方程以及毛细管中升高（或降低）的液柱高度所产生的压力 P=gh ，通过测量液柱高度即可求出液体的表面张力。这就是毛细管上升法测定溶液表面 张力的原理。 此方法要求管壁能被液体完全润湿，且液面呈半球形。 4、最大泡压法测定溶液的表面张力 实际上，最大泡压法测定溶液的表面张力是毛细管上升法的一个逆过程。其装置图如所示，将待测表面张力的液体装于表面张力仪中，使毛细管的端面与液面相切，由于毛细现象液面即沿毛细管上升，打开抽气瓶的活塞缓缓抽气，系统减压，毛细管内液面上受到一个比表面张力仪瓶中液面上（即系统）大的压力，当此压力差——附加压力(Δp ＝ p 大气 － p 系统 ) 在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管口液体的表面张力时，气泡就从毛细管口脱 出，此附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径成反比，其关系式为拉普拉斯公式:R p σ2=?. P s = 2σ R
用拉脱法测定液体表面张力系数 液体表层厚度约m 10 10 -内的分子所处的条件与液体内部不同， 液体内部每一分子被周围其它分子所包围，分子所受的作用力合力为零。由于液体表面上方接触的气体分子，其密 度远小于液体分子密度，因此液面每一分子受到向外的引力比向内的引力要小得多，也就是说所受的合力不为零，力的方向是垂直与液面并指向液体内部，该力使液体表面收缩，直至达到动态平衡。因此，在宏观上，液体具有尽量缩小其表面积的趋势，液体表面好象一张拉紧了的橡皮膜。这种沿着液体表面的、收缩表面的力称为表面张力。表面张力能说明液体的许多现象，例如润湿现象、毛细管现象及泡沫的形成等。在工业生产和科学研究中常常要涉及到液体特有的性质和现象。比如化工生产中液体的传输过程、药物制备过程及生物工程研究领域中关于动、植物体内液体的运动与平衡等问题。因此，了解液体表面性质和现象，掌握测定液体表面张力系数的方法是具有重要实际意义的。测定液体表面张力系数的方法通常有：拉脱法、毛细管升高法和液滴测重法等。本实验仅介绍拉脱法。拉脱法是一种直接测定法。 【实验目的】 1．了解326FB 型液体的表面张力系数测定仪的基本结构，掌握用标准砝码对测量仪进行 定标的方法，计算该传感器的灵敏度。 2．观察拉脱法测液体表面张力的物理过程和物理现象，并用物理学基本概念和定律进行分析和研究，加深对物理规律的认识。 3．掌握用拉脱法测定纯水的表面张力系数及用逐差法处理数据。 【实验原理】 如果将一洁净的圆筒形吊环浸入液体中，然后缓慢地提起吊环，圆筒形吊环将带起一层液膜。使液面收缩的表面张力f 沿液面的切线方向，角?称为湿润角（或接触角）。当继续提起圆筒形吊环时，?角逐渐变小而接近为零，这时所拉出的液膜的里、外两个表面的张力f 均垂直向下，设拉起液膜破 裂时的拉力为F ，则有 f g m m F 2)(0++= （1） 式中，m 为粘附在吊环上的液体的质量，0m 为吊环质量，因表面张力的大小与接触面周边界长度成正比，则有 απ?+=)(2外内D D f （2） 比例系数α称为表面张力系数，单位是m N /。α在数值上等于单位长度上的表面张力。式中l 为圆筒形吊环内、外圆环的周长之和。 ) ()(0外内D D g m m F ++-= πα （3） 由于金属膜很薄，被拉起的液膜也很薄，m 很小可以忽略，于是公式简化为：
溶液表面张力的测定-最大气泡法 Determination of Surface Tension Using Maxinum Bubble Pressure Method 一、实验目的及要求 1．掌握最大气泡法测定表面张力的原理和技术。 2. 学会以镜面法作切线，并利用吉布斯吸附公式计算不同浓度下正丁醇溶液的表面吸附量。 3. 求正丁醇分子截面积和饱和吸附分子层厚度。 二、实验原理 在液体的内部任何分子周围的吸引力是平衡的。可是在液体表面层的分子却不相同。因为表面层的分子，一方面受到液体内层的邻近分子的吸引，另一方面受到液面外部气体分子的吸引，而且前者的作用要比后者大。因此在液体表面层中，每个分子都受到垂直于液面并指向液体内部的不平衡力（如图1所示）。 这种吸引力使表面上的分子向内挤促成液体的最小面积。要使液体的表面积增大就必须要反抗分子的内向力而作功增加分子的位能。所以说分子在表面层比在液体内部有较大的位能，这位能就是表面自由能。通常把增大一平方米表面所需的最大功A或增大一平方米所引起的表面自由能的变化值 图1 分子间作用力示意图 ΔG称为单位表面的表面能其单位为J．m-3。而把液体限制其表面及力图使它收缩的单位直线长度上所作用的力，称为表面张力，其单位是N.m-1。 液体单位表面的表面能和它的表面张力在数值上是相等的。欲使液体表面积加△S时，所消耗的可逆功A为： 液体的表面张力与温度有关，温度愈高，表面张力愈小。到达临界温度时，液体与气体不分，表面张力趋近于零。液体的表面张力也与液体的纯度有关。在纯净的液体（溶剂）中如果掺进杂质（溶质），表面张力就要发生变化，其变化的大小决 定于溶质的本性和加入量的多少。当加入溶质后，溶剂的表面张力要发生变化，。根据能量最低原理，若溶液质能降低溶剂的表面张力，则表面层溶质的浓度应比溶液内部的
最大气泡法测定溶液的表面张力 【实验目的】 1、掌握最大泡压法测定表面张力的原理，了解影响表面张力测定的因素。 2、了解弯曲液面下产生附加压力的本质，熟悉拉普拉斯方程，吉布斯吸附等温式，了解兰格缪尔单分子层吸附公式的应用。 3、测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算饱和吸附量, 由表面张力的实验数据求正丁醇分子的截面积及吸附层的厚度。 【实验原理】 1、表面张力的产生 纯液体和其蒸气组成的体系体相分子：自由移动不消耗功。表面分子：液体有自动收缩表面而呈球形的趋势。要使液体表面积增大就必须要反抗分子的内向力而作功以增加分子位能。所以分子在表面层比在液体内部有较大的位能，这位能就是表面自由能。 W=A σ-?g 如果ΔA 为1m 2，则-W ′=σ是在恒温恒压下形成1m 2新表面所需的可逆功，所以σ称 为比表面吉布斯自由能，其单位为J·m -2。也可将σ看作为作用在界面上每单位长度边缘上的力，称为表面张力，其单位是N·m -1。液体单位表面的表面能和它的表面张力在数值上是相等的。 2、弯曲液面下的附加压力 （1）在任何两相界面处都存在表面张力。表面张力的方向是与界面相切，垂直作用于某一边界，方向指向使表面积缩小的一侧。 （2）液体的表面张力与温度有关，温度愈高，表面张力愈小。到达临界温度时，液体与气体不分，表面张力趋近于零。 （3）液体的表面张力与液体的纯度有关。在纯净的液体（溶剂）中如果掺进杂质（溶质），表面张力就要发生变化，其变化的大小决定于溶质的本性和加入量的多少。 （4）由于表面张力的存在，产生很多特殊界面现象。 3、毛细现象 （1）由于表面张力的作用，弯曲表面下的液体或气体与在平面下情况不同，前者受到附加的压力。
【目的要求】 1. 了解表面自由能、表面张力的意义及表面张力与吸附的关系。 2. 掌握最大气泡法测定表面张力的原理和技术。 3. 通过测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力，计算吉布斯表面吸附量和乙醇分子的横载面积。 4. 学会以镜面法作切线，并利用吉布斯吸附公式计算不同浓度下正丁醇溶液的表面吸附量。 5. 求正丁醇分子截面积和饱和吸附分子层厚度。 【基本原理】 在液体的内部任何分子周围的吸引力是平衡的。可 是在液体表面层的分子却不相同。因为表面层的分子， 一方面受到液体内层的邻近分子的吸引，另一方面受到 液面外部气体分子的吸弓I,而且前者的作用要比后者大。 因此在液体表面层中，每个分子都受到垂直于液面并指 向液体内部的不平衡力（如图1所示）。 这种吸引力使表面上的分子向内挤促成液 体的最小面积。要使液体的表面积增大就必须要 图1分子间作用力示意图 反抗分子的内向力而作功增加分子的位能。所以 说分子在表面层比在液体内部有较大的位能，这位能就是表面自由能。通常把增大一平方米表面所需的最大功A或增大一平方米所引起的表面自由能的变化值ΔG称为单位表面的表面能其单位为J. m-3。而把液体限制其表面及力图使它收缩的单位直线长度上所作用的力，称为表面张力， 其单位是N.m-1。 液体单位表面的表面能和它的表面张力在数值上是相等的。欲使液体表面积加△S时，所消耗 的可逆功A为： -A= ΔG= σΔS 液体的表面张力与温度有关，温度愈高，表面张力愈小。到达临界温度时，液体与气体 不分，表面张力趋近于零。液体的表面张力也与液体的纯度有关。在纯净的液体（溶剂）中如果掺进杂质（溶质），表面张力就要发生变化，其变化的大小决定于溶质的本性和加入量的多少。当加入溶质后，溶剂的表面张力要发生变化，。根据能量最低原理，若溶液质能降 低溶剂的表面张力，则表面层溶质的浓度应比溶液内部的浓度大；如果所加溶质能使溶剂的 表面张力增加，那么，表面层溶液质的浓度应比内部低。这种现象为溶液的表面吸附。用吉布斯公式（GibbS）表示： ⑴式 式中，Γ为表面吸附量（mol.m-2）; σ为表面张力（J.m-2）; T为绝对温度（K） ;C为溶液浓度（mol/L ）; 表示在一定温度下表面张力随浓度的改变率。
浙江万里学院生物与环境学院 化学工程实验技术实验报告 实验名称：溶液表面张力的测定 （1）实验目的 1、掌握最大气泡法测定表面张力的原理和技术 2、通过对不同浓度正丁醇溶液表面张力的测定，加深对表面张力、表面自由能和表面吸附量关系的理解 3、学习使用Matlab 处理实验数据 （2） 实验原理 1、 表面自由能：从热力学观点看，液体表面缩小是一个自发过程，这是使体系总的自由能减小的过程。如欲使液体产生新的表面A ?，则需要对其做功。功的大小应与A ?成正比：-W=σA ? 2、 溶液的表面吸附：根据能量最低原理，溶质能降低溶液的表面张力时，表面层中溶质的浓度应比 溶液内部大，反之，溶质使溶液的表面张力升高时，它在表面层中的浓度比在内部的浓度低。这种表面浓度与溶液里面浓度不同的现象叫“吸附”。显然，在指定温度和压力下，吸附与溶液的表面张力及溶液的浓度有关。Gibbs 用热力学的方法推导出它们间的关系式 T c RT c )(??- =Γσ (1)当00，溶质能减少溶剂的表面张力，溶液表面层的浓度大于内部的浓度，称为正吸附，此类物质叫表面活性物质。（2）当0>??? ????T c σ时，Γ<0，溶质能增加溶剂的表面张力，溶 液表面层的浓度小于内部的浓度，称为负吸附，此类物质叫非表面活性物质。由 T c RT c )(??- =Γσ 可知：通过测定溶液的浓度随表面张力的变化关系可以求得不同浓度下溶液的表面吸附量。 3、 饱和吸附与溶质分子的横截面积：吸附量Γ浓度c 之间的关系，有Langmuir 等温方程 式表示：c K c K ·1·+Γ=Γ ∞
液体表面张力系数的测量实验 液体沿表面总是存在着使液面紧张且向液体内收缩的力称为表面张力。液体的许多现象，如毛细管现象、湿润现象、泡沫的形成等，都与表面张力有关。表面张力系数是液体表面的重要力学性质：对于不同种类的液体，其表面张力不同，而对于同一种液体，其表面张力系数随着温度及其所含杂志的改变而增大或减小。这些性质广泛应用于工业生产中，如浮法选矿、液体的传输技术、化工生产线的设计等等都要对液体的表面张力进行研究。 测定液体表面张力系数的方法很多。常用的有拉脱法和毛细管升高法。本次实验介绍用拉脱法测定液体表面张力系数。 一、实验目的 1．用砝码对硅压阻力敏传感器进行定标,计算该传感器的灵敏度,学习传感器的定标方法； 2．观察拉脱法测量表面张力的过程，并用物理学基本概念进行分析，加深对物理规律的认识； 3．测量纯水和其它液体（如：甘油）的表面张力系数。 二、实验仪器 实验仪器主要由液体表面张力系数测量实验仪主机以及实验装置以及镊子、砝码组成。应用电脑采集测量时需要壹根串口转USB 连接线、电脑和采集软件，仪器装置见下图。 三、实验原理 一个金属环固定在传感器上，将该环浸没于液体中，并渐渐拉起圆环，当它从液面拉脱瞬间传感器受到的拉力差值f 为 απ)(21D D f += （1） 式中： 1D 、2D 分别为圆环外径和内径，α为液体表面张力系数，g 为重力加速度，所以液体表面张力系数为：
)](/[21D D f +=πα （2） 实验中，液体表面张力可以由下式得到： B U U f /)(21-= （3） B 为力敏传感器灵敏度，单位V/N 。1U ,2U 分别为即将拉断水柱时数字电压表读数以及拉 断时数字电压表的读数。 四、实验步骤 1．连接硅压阻力敏传感器，并开机预热15～20分钟。测量吊环内外直径，然后清洗玻璃器皿（盛装待测液体）和吊环，给实验装置加水（注意加水量不可过多，可以参考装置外壁加水刻度线）； 2．将吊环挂在力敏传感器的钩上，将力敏传感器转至水容器外部，这样取放砝码比较方便。待吊环晃动较小时，对仪器进行调零，然后用镊子安放砝码对传感器进行定标，取放砝码时应尽量轻； 3．将待测液体倒入玻璃器皿后，再将盛有待测液体的玻璃器皿小心地放入空的塑料容器，并一起放入实验圆筒内；将力敏传感器转至容器内，并轻轻挂上吊环，可以轻触吊环，让其晃动 说明：之所以不将测量液体直接倒入塑料容器内进行测量，是防止某些待测液体与塑料容器发生化学反应而影响测量结果。 4．关闭橡皮球阀门，反复挤压橡皮球使装置内部液体液面上升，当吊环下沿部分均浸入待测液体中时，及时松开橡皮球的阀门，这时液面缓慢下降，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柱前一瞬间数字电压表读数值为U 1，拉断后数字电压表读数为U 2。记下这两个数值。 5.用计算机采集时，在环接触液面开始下降时点开始采集按钮，可以通过软件实时采集传感器输出电压值的变化过程，通过鼠标移动测量拉脱瞬间的电压值以及拉断后的电压值，计算测量液体的表面张力，并与手动测量的结果进行比较。 五、注意事项 1．实验前，吊环须严格处理干净：可用NaOH 溶液洗净油污或杂质后，用纯水冲洗干净，并用热吹风烘干；
液体表面张力实验报告 液体表面张力的测定方法分静力学法和动力学法。静力学法有毛细管上升法、du Noüy 环法、Wilhelmy 盘法、旋滴法、悬滴法、滴体积法、最大气泡压力法;动力学法有震荡射流法、毛细管波法。其中毛细管上升法和最大气泡压力法不能用来测液- 液界面张力。Wilhelmy 盘法, 最大气泡压力法, 震荡射流法, 毛细管波法可以用来测定动态表面张力。由于动力学法本身较复杂, 测试精度不高, 而先前的数据采集与处理手段都不够先进, 致使此类测定方法成功应用的实例很少。因此, 迄今为止, 实际生产中多采用静力学测定方法。 毛细管上升法 测定原理: 将一支毛细管插入液体中, 液体将沿毛细管上升, 升到一定高度后, 毛细管内外液体将达到平衡状态, 液体就不再上升了。此时, 液面对液体所施加的向上的拉力与液体向下的力相等。则表面张力:γ=ρghr*r/(2cosθ) 式中γ为表面张力, r 为毛细管的半径, h 为毛细管中液面上升的高度, ρ为测量液体的密度, g 为当地的重力加速度, θ为液体与管壁的接
触角。 Wilhelmy 盘法 用铂片、云母片或显微镜盖玻片挂在扭力天平或链式天平上, 测定当片的底边平行面刚好接触液面时的压力, 由此得表面张力, 公式为: 式中,W 总为薄片与液面拉脱时的最大拉力,W片为薄片的重力, l 为薄片的宽度, 薄片与液体的接触的周长近似为2l, φ为薄片与液体的接触角 悬滴法 悬滴法是根据在水平面上自然形成的液滴形状计算表面张力。在一定平面上, 液滴形状与液体表面张力和密度有直接关系。由Laplace公式, 描述在任意的一点P 曲面内外压差为: 式中R1, R2 为液滴的主曲率半径; z 为以液滴顶点O 为原点, 液滴表面上P 的垂直坐标; P0 为顶点O 处的静压力。 定义:S= ds/de
液体表面张力研究 报告
对液体表面张力系数测定实验的改进 （邓丹萍，王亚慧，杜庆玉） 指导老师：马国利 （滨州学院物理与电子科学系） 一.引言 液体表面张力仅存在于极薄的表面层内，是液体表面分子力作用的结果。测量液体表面张力的方法有很多，常见的有拉脱法、毛细血管法、液滴测量法和最大气泡压力法。拉脱法是指测量一个已知周长的金属片从待测液体表面脱离时需要的力，从而得到液体表面张力系数。现在实验室多用拉脱法测量液体表面张力。用拉脱法测量液体表面张力对仪器精度要求高。现用硅压阻式力敏传感张力测定仪，正好能满足测量液体表面张力的需要。 实验过程中若金属片为吊环片，可采用一级近似，能够认为脱离力为表面张力系数乘上脱离表面的周长，即： F=aπ(R1+R2) 其中F为拉脱力，R1和R2为圆环的内经和外径，a为液体表面张力系数。 由于每个力敏传感器的灵敏度有所不同，开始实验要对力敏传感器进行定标，然后经过定标过程中所记录的数据求出传感器的灵敏度k。 原来的实验过程中，首先在玻璃皿内放入被测液体并安放在
实验台上；其次用镊子将金属吊环片拉在传感器的小钩上，调节升降台，将液体升至靠近环片的下沿，观察环片下沿与待测液面是否平行，如果不平行，将金属片取下后，调节吊环上的细丝，使吊环与待测液面平行，然后调节容器下的升降台，使其渐渐上升，将吊环的下沿部分全部浸没与待测液体，然后反向调节升降台，使其液面渐渐下降，这时金属片与液面间形成一层环形液膜，使液面继续下降，测出环形液膜即将拉断前一瞬间数字电压表读数值U1和环形液膜即将拉断后一瞬间数字电压表读数值U2，ΔU= U1- U2,最后将所得数据代入相关公式，求出液体表面张力系数，并与标准值进行比较。 我认为原实验存在以下问题和不足，具体如下： 1. 对于液体表面张力系数的测量仪附件吊环水平调试仅凭感觉是否水平，而对于吊环水平的调节仅依赖于三根金属丝，这种方法既原始也不科学且没有判断依据。对实验造成较大误差。 2. 原有仪器利用人工控制升降台来改变液面高度，但在旋转过程中，由于手工升降的不稳定性，可能造成液面高度调节过程中水面波动，从而给实验结果造成误差。不但如此，实验过程中我们需要记录拉断前一瞬间数字电压表读数值U1和环形液膜即将拉断后一瞬间数字电压表读数值U2，那么我们使用人工手动调节就更不满足这一要求。 3.原有实验仪器只能测量当前室温下水的液体表面张力系数，然而在实际生活和科研中，研究同种液体在不同环境下表面
实验3-3 液体表面张力系数的测定 一、实验目的： 测量室温下水的表面张力系数。 二、实验原理： 液体表面张力的存在，液体表面具有收缩的趋势，在液体表面上作一条曲线，则曲线受两侧平衡的、并与液体表面相切的表面张力的作用。在线性近似下，表面张力的大小与曲线的长度成正比，表面张力的大小与曲线长度的比值即为液体的表面张力系数。根据这一规律，可以用液体表面张力系数测定液体的表面张力。 在实验中用一个金属圆环固定在传感器中，该环浸没于液体中，把圆环慢慢拉起，金属圆环会受到液体表面膜的拉力作用。表面膜拉力的大小为 f=α△l=α(2πr1+2πr2)=π（D1+D2）α 在页面拉脱的瞬间，膜的拉力小时。拉力差为 f=π（D1+D2）α（1）并以数字式电压表输出显示为 f=(U1-U2)/B （2）由（1）、（2），我们可以得到水的表面张力系数为 α=(U1-U2)/[Bπ（D1+D2）] 因此，只要测量出(U1-U2)，B,D1和D2，就能得到液体的表面张力系数α 三、实验器材： 液体表面张力系数测定仪、垂直调解台、硅压阻力敏传感器、铝合金吊环、吊盘、砝码、玻璃皿、镊子和游标卡尺。
四、实验步骤： （1）力敏传感器的定标（表3-3-1） （2）测量金属圆环的外径D1和内径D2。 （3）记录吊环即将拉断液柱前一瞬间数字电压表的读数值U1和拉断时瞬间数字电压表的读数U2。并用温度计测出水的温度。利用所测数据计算出α（表3-3-2）。 表3-2-2 水的表面张力系数测量 水的温度：_____℃ （4）求出在此温度下的水的表面张力系数，查询资料获得水的表面张力系数的标准值，与实验值测得值相比较，对测量结果进行误差分析。 五、数据记录 将所得实验数据填入《表3-3-1 力敏传感器定标》和《表3-3-2 水的表面张力系数测量》中。 表3-3-1 力敏传感器的定标
南昌大学物理实验报告 课程名称：大学物理实验 实验名称：液体表面张力系数的测定 学院：管理学院专业班级： 学生姓名：学号： 实验地点：基础实验大楼608 座位号： 实验时间：第三周星期天下午四点开始
液体表面张力系数的测定实验报告 【实验目的】 1．了解水的表面性质，用拉脱法测定室温下水的表面张力系数。 2．学会使用焦利氏秤测量微小力的原理和方法。 【实验仪器】 焦利秤，砝码，烧杯，温度计，镊子，水，游标卡尺等。 【实验原理】 液体表面层内分子相互作用的结果使得液体表面自然收缩．犹如紧张的弹性薄膜。由于液面收缩而产生的沿着切线方向的力称为表面张力。设想在液面上作长为L的线段，线段两侧液面便有张力f相互作用，其方向与L垂直，大小与线段长度L成正比。即有： =α F? L f α称为液体表面张力系数，单位：N/m。 将一表面洁净的长为L、宽为d的矩形金属片(或金属丝)竖直浸入水中，然后慢慢提起一张水膜，当金属片将要脱离液面，即拉起的水膜刚好要破裂时，则有F=mg+f。其中，F为拉出时所用的力，mg为金属片和带起的水膜的总质量，f为表面张力。实验中利用金属圆环，则： f=F-mg 【实验步骤】 1．安装好仪器，挂好弹簧．调节底板的三个水平调节螺丝，使焦利秤立柱竖直。在主尺顶部挂入吊钩再安装弹簧和配重圆柱体．使小指针被夹在两个配重圆柱中间，配重圆柱体下端通过吊钩钩住砝码托盘。调整小游标的高度使小游标左侧的
基准线大致对准指针，锁紧固定小游标的锁紧螺钉．然后调节微调螺丝使指针与镜子框边的刻线重合．当镜子边框上刻线、指针和指针的像重合时(即称为“三线对齐”)，读出游标0线对应刻度的数值L 0. 2．测母弹簧的倔强系数K ：依次增加1.0g 砝码．即将质量为1.0g ，2.0g ．3.0g ，…，9.0g 的砝码加在下盘内。调整小游标的高度．每次都重新使三线对齐，分别记下游标0线所指示的读数L1．L2，…，L9；再逐次减少1.0g 砝码．调整小游标的高度．每次都重新使三线对齐，分别记下游标。线所指示的读数L9’，L8’，…．L0’，取二者平均值，用逐差法求出弹簧的倔强系数。即 2 L -i i i '= L L )-(5154 i i i L L L +=∑=? 3．测(F 一mg)值。将洁净的金属圆环挂在弹簧下端的小钩子上，调整小游标的高度使三线对齐．记下此时游标0线指示读数S 0。把装有蒸馏水的烧杯置于焦利平台上，调节平台位置，使金属片浸入水中，转动平台旋钮使平台缓缓下降，下降的过程中金属圆环底部会拉成水膜，在水膜还没有破裂时需调节三线对齐，然后再使平台下降一点，重复刚才的调节，直到平台稍微下降，金属圆环刚好脱出液面为止，记下此时游标0线所指示的读数S ，算出△S=S —S 0的值，即为在表面张力作用下弹簧的伸长量，重复测量5次，求出平均值，此时有F-mg=f=K △S 代入可得: ） （21d d s k +?= πγ
6.2溶液表面的吸附——最大气泡压力法测溶液表面张力 6.2.1 实验目的： 1、掌握气泡最大压力法测定液体表面张力的原理与方法，并测定不同浓度正丁醇水溶 液的表面张力； 2、了解溶液表面的吸附作用，应用Gibbs 吸附等温式和Langmuir 吸附等温式求出正丁醇的饱和吸附量，并计算正丁醇分子的截面积。 6.2.2 实验原理： 当液体中加入溶质时，其表面张力就会升高或降低。若升高，则溶质在表面层的浓度 比溶液内部浓度小；若降低，则溶质在表面层的浓度比溶液内部浓度大。这种溶质在溶液表面层的浓度与溶液内部浓度不一致的现象被称为溶液表面的吸附作用。单位溶液表面积上溶质的过剩量称为表面吸附量Γ。在一定温度下,溶液的表面吸附量Γ与表面张力γ及溶液本体浓度c 之间的关系符合吉布斯吸附等温式： dc d RT c γ ?- =Γ （6-2-1） 式中：Γ为表面吸附量（mol ·m -2 ）；T 为热力学温度（K ）；c 为稀溶液浓度（单位：mol ·L -1 ）；γ为表面张力（单位：N ·m -1） ；R 为气体常数。 当溶液的表面张力随浓度的变化 0d dc γ <时，0Γ>，称为正吸附，表明增加浓度时，能使溶液表面张力降低的溶质，在表面层的浓度大于溶液内部的浓度；反之，当0d dc γ >时， 0Γ<，称为负吸附，也就是增加浓度，使溶液的表面张力增加的溶质，在表面层的浓度小 于溶液内部的浓度。 用吉布斯吸附等温式计算某溶质的吸附量时，可通过实验测定不同浓度的溶液的表面张力 γ，并以γ对c 作图，如图6-2-1所示。在c γ-曲线上任取一点a ,通过a 点作曲线的切线和平 行于横坐标的直线，分别与纵坐标交于' ,b b 。令 'b b Z =，则d Z c dc γ =-，代入式（6-2-1），得：Z RT Γ= ；从c γ-曲线上取不同的点，就可求 图6-2-1 表面张力与浓度关系图 b ’ b γ