楚雄师范学院
本科生毕业论文
题目：蒸馏水表面张力系数与温度的变化关系的研究系（院）：物电系
专业：物理学（师范）
学号：20091041206
学生姓名：张俊伟
指导教师：颜茜职称：副教授
论文字数：4516
完成日期：2013 年 5 月
教务处印制
楚雄师范学院物理学（师范）本科毕业论文楚雄师范学院物电系毕业论文原创性声明
本人郑重声明：呈交的毕业论文“蒸馏水表面张力系数与温度的变化关系的研究”，是由本人在指导教师的指导下进行研究工作所取得的成果除了文中已经引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已发表或撰写过的研究成果对本论文的研究所做出帮助的个人和集体，已在论文中作了的说明并表达了谢意。
本声明的法律责任由本人承担
毕业论文作者签名：
日期：2013年5月6日
目录
摘要.....................................................................................................................I 关键词..................................................................................................................I Abstact ..............................................................................................................II Keywords.............................................................................................................I I 1．引言 (1)
2．实验原理 (1)
2．1液体表面张力系数的含义 (1)
2．2毛细管法测定液体表面张力系数的原理 (2)
3．实验部分 (4)
3．1实验装置与方法 (4)
3．2实验步骤 (5)
3．3实验数据及计算 (6)
3．4数据绘图分析 (8)
4．结束语 (9)
参考文献 (9)
致谢 (10)
蒸馏水表面张力系数随温度变化关系的研究
摘要：本文对蒸馏水表面张力系数随温度变化的关系进行了研究，具体是利用恒温装置控制蒸馏水处于一定温度下，采用毛细管上升法测量了不同温度下蒸馏水的表面张力系数，得到了蒸馏水表面张力系数与温度的变化关系曲线，实验结果表明，在所测量的温度范围（30-90℃）内，蒸馏水的表面张力系数与温度之间近似呈线性关系针对实际情况实验中还对毛细管上升法测量液体表面张力系数的方法做了两点改进。
关键词：液体表面张力系数毛细现象毛细管上升法恒温水浴加热锅
Study on the relationship between the liquid surface tension
coefficient varies with temperature
Abstract: This paper studied the relationship between the distilled water
surface tension coefficient with the temperature change，concrete is in certain temperature thermostat control with distilled water，the capillary rise method measuring the coefficient of surface tension of distilled water at different temperature curves of distilled water，surface tension coefficient and temperature were obtained，the experimental results show that，in the the measured temperature range
(30-90 ℃)，between the coefficient of surface tension of distilled water and the temperature is approximately linear relationship. According to the actual situation in the experiment method of capillary rise method for measuring the liquid surface tension coefficient have been improved.
Keywords: The liquid surface tension coefficient; Capillary phenomenon; Capillary rise method;Constant temperature water bath heating pot
液体表面张力系数随温度变化关系的研究
1 引言
液体的表面存在张力，表面张力系数是表征液体性质的一个重要参数，在表面物理、表面化学、医学等领域中具有重要的意义，所以，测量液体表面张力系数具有重要的意义。
一般情况下，液体随着温度的升高，分子热运动便会加剧，液体分子平均间距将会增大，从而导致液体分子之间的吸引力减小，液体的表面张力系数呈现下降趋势。经验认为液体的表面张力系数随温度的变化与物质的临界温度有关，在远离临界温度时液体的表面张力系数随温度呈线性变化。对液体表面张力系数随温度变化的实验研究有助于我们对气液界面的进一步认识。
本文对蒸馏水的表面张力系数与温度的变化关系进行了研究。最后根据实验数据得出相应的结论。
2 实验原理
2. 1 液体表面张力系数的含义
液体表面张力是指作用于液体表面上的使液面具有收缩倾向的一种力。从微观上来看，液体表面张力是由于液体表面层内的分子力作用的结果液体的表面厚度大约等于分子的有效作用距离R
，其数量级约
为109-m，即二三个分子直径的大小我们假设分子互相作势能是球对称的，以任一个分子为中心画一个以为半径的分子作用球，在液体内部其分子作用球内其他的分子对该分子的作用力是相互抵消的，但在液
R
体表面层内却并不能够抵消掉当液体与它的蒸汽相互接触时，它表面层内的分子作用球的情况如图1-1所示，因为表面层分子的作用球中总会有一部分是密度很低的气体，使得表面层内的分子所受到的分子力不平衡，所受到的合力是垂直于液体表面并指向液体内部的所以在这种分子力的合力作用下，液体有尽量收缩它的表面积的趋势因而是液体表面像绷紧的膜一样，液体表面张力也就是这样产生的。
图1-1
液体表面张力系数是作用于液面单位长度上的表面张力，液体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。
测定液体表面张力系数常用的方法有：拉脱法、毛细管法、最大气泡法和液滴测重法等本文用毛细管法测量蒸馏水的表面张力系数。
2 .2毛细管法测定液体表面张力系数的原理
将毛细管插入无限广延的水中，由于水对玻璃是润湿的，在管内的水面将成为凹面。已知液体的表面在其性质上，和紧张的弹性薄膜相似。当液面为曲面时，由于它有变平的趋势，所以弯曲的液面对于下层的液体施以压力，液面成凸面时，这压力是正的，液面成凹面时，这压力是负的(图2-1)。在图2-2中，毛细管中的水面是凹面，它对下层的水施以负压，使管内水面下方B点的压强比水面上方的大气压小，而管外的平液面处，与B在同一水面上的C点的压强仍与水面上方的大气压强相等。当液面静止时，在同一水平面上的两点的压强应相等，现在，同一水平面上的B、C二点的压强不等，因此，液面不能平衡，水将从管外流向管中使管中与水面升高，直至B点和C点的压强相等为止(图2-2)。
图2-1 图2-2
设毛细管的截面为圆形，则毛细管内的凹形水面可近似地看成为半径r 的半球面，若管内水面下A 点与大气压的压强差为△p ，则水面平衡的条件当时
△p πr 2
=2πr σcos θ (2-1)
式中r 为毛细管半径， θ为接触角， σ为表面张力系数。如水在毛细管中上升的高度为h ，则 △p=ρgh
式中ρ为水的密度。将此式代入式(2-1)，可得 ρgh πr 2=2πr σcos θ 即
σ=θ
ρcos 2grh
(2-2)
对于清洁的玻璃和水，接触角θ近似为零，则
σ=
2
grh
ρ (2-3)
测量时是以管中凹面最低点到管外平液面的高度为h ，而在此高度以上，在凹面周围还有少量的水，因此可以将毛细管中的凹面看成为半球形，所以凹面周围水的体积应等于(πr 2)r-21（34πr 3）=31πr 3=
3
r
（πr 2），即等于管中高为3r 的水柱的体积因此，上述讨论中的h 值，应增加3r
的修正值于是式子（4）成为
σ=
21（gh ρ）（h+3
r ） (2-4) 由于测量时毛细管是插入内半径为'r 的量筒的中心轴处如以''r 表示毛细管的外半径，则毛细管中水上升的高度h 要比在无限广延液体小些，因此要加以修正项，则式（5）成为
σ=21（gh ρ）（h+3
r ）（1-r
r -r “，） (2-5)
实验中只要测出液柱的高h 和毛细管的内径d 和外径'
'd 以及量筒的内径'
d ，并通过查表得到不同温度下蒸馏水的密度，代入(2-5) 式就可以计算出蒸馏水的表面张力系数σ本实验用读数显微镜测蒸馏水液柱的高h 和毛细管的内径d 和外径'
'd 以，用游标卡尺测量量筒的内径'
d ，读数显微镜的精度为0.01mm ，单次测量示值误差取0.015mm 。
3．实验部分
3．1实验装置与方法
液体表面系数的常用方法有两大类：动态法，包括拉脱法、液滴法、气泡法、水波频闪发等；静态法，包括毛细管法、接触角激光法、括夹板法等虽然拉脱法等方法已经比较成熟，但是本实验实际操作需要考虑被测样品的温度控制问题样品温度可用恒温水浴锅来测控但是测量样品最终被测量的部分温度比较困难例如使用拉脱法，通常用表面皿盛装样品，即便以让表面皿内的样品和水浴稳定的测控温度，而实际上悬空的液柱膜才是真正被测量的部分，而这块液膜却直接在空气中，它周围的温度环境很不稳定，几乎不可能准确的测控其温度。
水浴是一种良好的热学实验热源，如果要通过水浴作为热源，就得让样品的关键部分周围的空气也达到水浴的温度在实验中还有一个困难是实验室所用的恒温水浴锅的容器壁是不透明的，这样假如所测的液柱表面处于容器壁的下方，将无法用读数显微镜读取液柱的高度所以我们希望盛装样品的容器壁尽可能高一些，并且上端的开口也要尽可能的小一些，只有这样被测样品才可以在水浴内部，不易受到外界扰动并且可以很容易的读取到液面的高度，所以本实验中采用一个大烧杯（烧杯要高于水浴加热锅的容器壁）和一个量筒，用量筒盛装样品，并套住整个毛细管，然后将量筒放到烧杯里，再将烧杯放到电子恒温加热器中水浴，如图(3-1)所示，这样测量就使得被测样品的液柱处在水浴的下面，实现了样品被测量的关键部
分温度的准确测控的可能。
图（3-1）
3．2实验步骤
(1)将一弯钩形并附有针尖的玻璃棒和毛细管固定在一起再把它们夹在铁架台上，并插在盛水的量筒中，上下升降量筒使毛细管壁充分浸润，放稳量筒使针尖在水面的稍下方如下图所示，用一个吸管将量筒中的水一滴滴地吸出，从水面下方观察针尖及水面所形成的针尖的像，在针尖及其像刚刚相接时，表示针尖正在水面处，设置针尖的目的，是因为测量h时，直接测量外液面的位置不易测准，在安置针尖之后，测量出针尖到毛细管中凹面的高度差，即为所求的h值（见表5）。
(2) 本实验采用蒸馏水作为实验样品，然后利用电子恒温水浴锅进行水浴加热，加热时是从30°C开始，每次升温相差5°C。记录下每次加热的温度t(单位用°C)。
(3)在毛细管前方安置读数显微镜，因为读数显微镜我们平常是用来测量物理长度的，所以首先对读数显微镜进行改装，将物镜旋转90度使物镜沿水平方向，这样就可以用它来测量液柱的高度并对它进行调零，先让叉丝对准针尖A，记下读数；转动丝杆，对准液柱的凹面B，再记下读数，两次读数之差即为液柱升高的高度h，（注意两次读数时丝杆必须只向一个方向移动，以避免螺距差）。
(4)用读数显微镜测量毛细管的直径，首先将毛细管转到水平方向固定在铁架台上，用显微镜对准毛细管管口，在聚焦后测量其毛细管的内直径和外直径，然后将毛细管转90度再测直径，在毛细管的另一端也进行同样的测量最后求出平均内半径r和平均外半径''r，并且测量烧杯的内半径'r（数据见表1表2和表3）。
(5)根据《1990年国际温标水密度表》得到不同温度下的蒸馏水的密度（见表4）根据蒸馏水在不同温度时的密度，计算在温度t时蒸馏水的表面张力系数（见表6）。
注意事项：
1.实验时要特别注意清洁，不能用手接触水、毛细管的下半部和量筒的内部
2.每次试验后要将毛细管浸在洗涤中，实验前用蒸馏水充分冲洗，烧杯也要用酒精擦拭后冲洗好
3．3实验数据及计算
表1 毛细管内半径的测量数据
次数 1 2 3 4 5
r(103-m) 0.314 0.315 0.315 0.316 0.315
平均值
(103-m) 0.315
表2 量筒内半径的测量数据
次数 1 2 3 4 5
r’(102-m) 2.50 2.52 2.51 2.51 2.51
平均值
(102-m) 2.51
表3 毛细管外半径的测量数据
次数
1 2 3 4 5 r
“
（103-m ） 0.525
0.527
0.525
0.525
0.523
平均值(103-m)
0.525
根据《1990年国际温标水密度表》得到相应范围内的蒸馏水的密度，见表4
表4 蒸馏水在不同温度下的密度
t （°C ）
30 35 40 45 50 55 60 ρ
（g.cm 3-）
0.995645
0.994029
0.992212
0.99012
0.988030
0.985310
0.983191
t （°C ）
65 70 75 80 85 90 ρ
（g.cm 3-）
0.979191
0.977759
0.974302
0.971785
0.969715
0.965304
表5 每隔50C 下毛细管液柱的高度
t （°C ） 30 35 40 45 50 55 60 h （cm ） 4.9859 4.9201 4.8650 4.9347 4.7756 4.7243 4.6638 t （°C ） 65 70 75 80 85 90 h （cm ） 4.6046
4.5652
4.5060
4.4666
4.4403
4.3429
根据以上测量数据，由（2-5）式σ=
21（gh ρ）（h+3
r ）（1-r
r -r
“
，
）计算得到每隔50
C 时不同温度下蒸馏水的表面张力系数，计算结果见表6 。
表6 蒸馏水在不同温度下的表面张力系数
t（°C）30 35 40 45 50 55 60
σ
76 75 74 73.7 72.8 72 71.1 （N.m1-）
t（°C）65 70 75 80 85 90
σ
70.2 69.6 68.7 68.1 67.7 66.2
（N.m1-）
3. 4数据绘图分析
将表6的数据用软件excel制作成坐标图如下，横坐标为温度t（°C），纵坐标为表面张力系数σ（N.m1-）
由表面张力系数与温度的变化曲线可见，在30-90℃温度范围内，蒸馏水的表面张力系数σ和摄氏温度近似呈线性关系。
4．结束语
本文用用毛细管法测定了蒸馏水表面张力系数随温度的变化关系，实验结果表明，在所测量的温度范围（30-90℃）内，蒸馏水的表面张力系数与摄氏温度之间近似呈线性关系，并且其表面张力系数随温度的升高而降低。本实验所得到的蒸馏水的表面张力系数 与标准值相差5%左右，究其原因，可能是样品相比水浴温度存在一定的滞后，因此测量中应该增加到达热平衡的等待时间。
参考文献
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[12] 王希成，罗中杰. 大学物理实验[M]. 华中科技大学出版社.2012
致谢
大学生活即将结束，在大学的四年学习生活，感受很深，收获丰厚四年的时间里，我的老师、我的同学给予我的关心和帮助，使我终身收益，我真心地感谢他们。
在本文的撰写过程中，颜茜老师作为我的指导老师，她治学严谨，学识渊博，视野广阔置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了明确的学术目标，领会了基本的思考方式，掌握了通用的研究方法，而且还明白了许多待人接物与为人处世的道理其严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力，与无微不至、感人至深的人文关怀，令人如沐春风，倍感温馨正是由于她在百忙之中多次审阅全文，对细节进行修改，并为本文的撰写提供了许多中肯而且宝贵的意见，本文才得以完成在此特向颜茜老师致以衷心的谢意！
此外，本文参考了大量杂志期刊和专业丛书，由于参考期刊太多，不能一一注明，敬请原谅并向所有作者和刊物致以诚挚的谢意！由于本人水平有限，纰漏之处在所难免，恳请各位老师不吝赐教。
谢谢！
水表面张力介绍 表面张力 表面张力，是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。通常，处于液体表面层的分子较为稀薄，其分子间距较大，液体分子之间的引力大于斥力，合力表现为平行于液体界面的引力。表面张力是物质的特性，其大小与温度和界面两相物质的性质有关。 1基本信息 多相体系中相之间存在着界面（interface）。习惯上人们仅将气-液，气-固界面称为表面(surface）。 表面张力，是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。将水分散成雾滴，即扩大其表面，有许多内部水分子移到表面，就必须克服这种力对体系做功——表面功。显然这样的分散体系便储存着较多的表面能(surface energy）。 2相关数据 在293K下水的表面张力系数为72.75×10-3N·m-1，乙醇为22.32×10-3N·m-1，正丁醇为24.6×10-3N·m-1，而水-正丁醇（4.1‰）的界面张力为34×10-3N·m-1。 表面张力的测值通常有多种方法，实验室及教科书中，通常采用的测试方法为最大气泡压法。由于其器材易得，操作方法相对易于学生理解表面张力的原理，因而长期以来是教学的必备方法。 作为表面张力测试仪器的测试方法，通常有白金板法（du Nouy method)\白金环法（Wilhelmy plate method)\悬滴法\滴体积法\最大气泡压法等。 3测定方法 (1)表面张力法。表面张力测定法适合于离子表面活性剂和非离子表面活性剂临界胶束浓度的测定，无机离子的存在也不影响测定结果。在表面活性剂浓度较低时，随着浓度的增加，溶液的表面张力急剧下降，当到达临界胶束浓度时，表面张力的下降则很缓慢或停止。以表面张力对表面活性剂浓度的对数作图，曲线转折点相对应的浓度即为CMC。如果在表面活性剂中或溶液中含有少量长链醇、高级胺、脂肪酸等高表面活性的极性有机物时，溶液的表面张力-浓度对数曲线上的转折可能变得不明显，但出现一个最低值(图2—15)。这也是用以鉴别表面活性剂纯度的方法之一。 (2)电导法。本法仅适合于表面活性较强的离子表面活性剂CMC的测定，以表面活性剂溶液电导率或摩尔电导率对浓度或浓度的平方根作图，曲线的转折点即CMC。溶液中若含有无机离子时，方法的灵敏度大大下降。 (3)光散射法。光线通过表面活性剂溶液时，如果溶液中有胶束粒子存在，则一部分光线将被胶束粒子所散射，因此测定散射光强度即浊度可反映溶液中表面活性剂胶束形成。以溶液浊度对表面活性剂浓度作图，在到达CMC时，浊度将急剧上升，因此曲线转折点即为CMC。利用光散射法还可测定胶束大小(水合直径)，推测其缔合数等。但测定时应注意环境的洁净，避免灰尘的污染。 (4)染料法。一些有机染料在被胶团增溶时。其吸收光谱与未增溶时发生明显改变，例如频那氰醇溶液为紫红色，被表面活性剂增溶后成为蓝色。所以只要在大于CMC的表面活性剂
系 级 姓名 日期 No. 评分： 实验题目：焦利氏秤法测量液体的表面张力 实验目的：学习并掌握用焦利氏秤法测量液体的表面张力的方法，加深对液体表 面张力的理解。 实验原理： 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 (a)所示的形状，将其悬挂在灵敏的测力计上，浸到液体中，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）。。由于液膜有两个表面，若每个表面的力为F '，则由 '2F mg F += 得 2 'mg F F -= （1） 表面张力F ’的大小与分界线的长度成正比。即 l F σ=' （2）
系级姓名日期No. 评分： 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，杂质和温度有关。测定表面张力系数的关键是测量表面张力F'，应用焦利氏秤液膜即将破裂可以方便地测量表面张力F'。 实验器材：焦利氏秤，自来水，肥皂水，金属丝，金属圈，钢板尺。 实验内容: 1、确定焦利氏秤上锥形弹簧的劲度系数k； 2、测量自来水的表面张力系数； 3、测量肥皂水的表面张力系数。 数据记录处理: 1、确定焦利氏秤上锥形弹簧的劲度系数k m/g 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 x/cm 2.87 3.38 3.86 4.36 4.88 5.42 5.93 6.48 7.00 7.53 8.06 （1）作图法：
水的表面张力 表面张力是一种特殊的力，它是液体（纯净液体、溶液）性质的一种表现．从微观上看，表面张力是因液体麦面薄层（约10-9米，并非几何面）内分子间的相互作用，它不同于液体内部分子间的相互作用，从而使液体表面层具有一种特殊性质．表面张力是分子力的一种宏观表现，在内聚力的作用下，表面层液体分子的移动总是尽量地使表面积减小．在液体表面形成一层弹性薄膜，这样便出现了表面张力．表面张力起源于分子引力，从其作用效果来看，它属一种拉力． 液体表面具有收缩趋势的微观解释 从力的角度分析：由于液体表面层分子显著地受到液体内部分子引力的作用（这其间也存在着分子斥力，只是分子引力占了优势）．表面层外气体或其它液体分子的作用很小．于是，表面层内分子受力上、下不均，所以表面层分子仅受到了一指向液体内部的合引力，这一引力导致了表面层分子有向液体内部运动的趋势，宏观上便表现出液体表面具有自动收缩的趋势． 从能量的角度分析：由于液体表面层内出现了一个指向液体内部、自液面而下逐渐增强的分子引力场．液体分子由液体内部进入分子引力场，需要外力做功，其分子势能将增大（类似重力场中举起重物），而液体分子由表面进入液体内部，其势能会减小（类似重力场中下落物体）．因任何物体的势能总有减小的倾向，以便使其稳定（势能最小原理），所以表面层的分子总想进入液体内部以获得“安稳”，从而使表面层分子的总势能尽可能减小．这一趋势宏观上使表面积趋于减小，即液面具有自动收缩的趋势． 表面张力和分子引力联系的解释 众所周知，表面张力及其形成和分子引力有着密切的关系．那么，与液面共面相切的宏观力——表面张力，和垂直液面指向液体内部的微观力——分子引力合力，二者的联系如何理解？ 如前所述，液体表面层的分子因受到指向液体内部的拉力——分子引力的作用．表面层分子总要尽可能地向液体内部钻．这样一来，宏观上整个液面就会处在一种张紧的状态，表面上出现张力，即和液体表面共面且相切的表面张力．分子引力、表面张力的联系可用下面的事例说明类比：一直位于水平面上的小车，通过一个定滑轮在垂直向下的拉力作用下，该车上便会有一沿水平方向的力．分子引力和表面张力的关系是：前者为因，后者为果 表面张力和温度的关系 表面张力一般随温度升高而减小，因为温度升高，分子热运动加剧，液体分子之间距离增大．相互吸引力将减小，所以表面张力要相应地减小．到达临界温度（物质以液态形态出现
三、温度和压力对表面张力的影响 可以从两个方面解释温度对表面张力的影响。一是温度对液体分子间相互作用力的影响。随着温度升高，分子热运动加剧，动能增加，分子间引力减弱，从而使得液体分子由内部到表面所需的能量减少。二是温度变化对表面两侧的体相密度的影响。温度升高，与表面层相邻的两体相的密度差变小，故表面张力减少。此二因素在宏观上均表现为温度升高表面张力下降。表12-1列出一些纯液体在不同温度下的表面格力温度系数值。 表示液体表面张力与温度关系的经验公式是 (12-10) 其中T为绝对温度。γ。可视为绝对零度时的表面张力，是一与体系有关的经验常数。b也是一个随体系而变的常数，其值与液体的临界温度有关。由于在临界温度T c时，界面消失， 表面张力为零，因此代入（12-10）得 (12-11) 考虑到一般液体在低于临界温度时表面张力已变为零，Ramsay 和 Shields 建议改用下列经验公式： (12-12) 其中M为液体的摩尔质量，υ为比容，k为常数。 Van der Walls 从热力学角度改进了（12-11），得出 (12-13) 指数n一般为接近 1 的常数。液体金属的n为 1，有机物的n约为 1.21 。 另一类表面张力-温度关系表达式为多项式，
(12-14) 例如，Harkins 测定的水表面张力和力与温度关系被表示为 (12-15) 式中t为摄氏温度。此式的适用温度范围是 10－60℃。 由于表面张力与压力关系的实验研究不易进行，因此，压力对表面张力的影响问题要复杂得多。一般情况下，增加体系的压力，气体在液体表面上的吸附和在液体中溶解度增大，因此，表面张力下降。
大学物理实验报告 题目：液体表面张力系数的测定 专业班次： 姓名： 日期：2014-10-14 一、实验名称 液体表面张力系数的测定 二、实验任务 (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)测量室温下水的表面张力系数。 三、实验仪器 液体表面张力系数测定仪、垂直调节台、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、实验原理 1．硅压阻力敏传感器的灵敏度 当传感器的力臂发生形变时，硅力敏传感芯片就会把这一形变转变成电压值，有数字电压表显示出来。在弹性范围内，力臂的形变与挂钩所受的力成正比，而硅力敏传感芯片的输出电压与力臂的形变成正比；也就是说传感器的输出电压与挂钩上所受的力成正比，其比值称为传感器的灵敏度，即 F ??=?B U 2．实验的基本构思与原理 在实验中，将一个金属圆环固定在传感器上，该环浸没于液体中，当把圆环渐渐从液体中拉起时，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 ()()απππαα212122D D r r l f +=+=?= 式中D1、D ２分别为圆环外径和内径，α为液体表面张力系数。在液面拉脱的瞬间，这个表面膜的拉力消失。因此，金属圆环拉脱瞬间前后传感器受到的拉力差为 ()απ21D D f += （1） 并以数字式电压表输出显示为 ()B U U f /21-= （2） 式中U1为吊环即将拉断液体柱前一瞬间数字电压表读数值，U2为拉断时瞬间数字电压表读数，B 为力敏传感器的灵敏度。由（1）（2），我们可以得到液体的表面张力系数为 ()()[]2121/U D D B U +-=πα （3）
实验1 纯液体表面张力测定及温度对表面张力的影响 一、实验目的 1. 学习并掌握用吊环法测定纯液体表面张力的原理和方法； 2. 测定不同温度下纯液体的表面张力，讨论温度对纯液体表面张力的影响。 二、基本原理 液体中各分子间相互吸引，在液体内部，每个分子所受的各方面的力是一样的，即受力平衡，靠近表面的分子则不同，液体内部对它的吸引力大于外部（通常指空气）对它的引力，故表面分子受到向内的拉力，表面产生自动缩小的趋势。要扩大液体表面，即把一部分分子从内部移到表面上就必须对抗拉力而作功。在等温等压下增加单位表面积所需的功称表面自由能，单位为（N·m -1）。即沿着液体表面，垂直作用于单位长度上的紧缩力，定义为表面张力，用γ表示。 测表面张力的方法有很多种，有毛细管上升法，滴体积法，最大气泡压力法，吊环法等。 吊环法是将吊环浸入溶液中，然后缓缓将吊环拉出溶液，在快要离开溶液表面时，溶液在吊环的金属环上形成一层薄膜，随着吊环被拉出液面，溶液的表面张力将阻止吊环被拉出，当液膜破裂时，吊环的拉力将达到最大值。自动界面张力仪将记录这个最大值P。 液体表面张力与温度关系的研究虽已有一个世纪之久，但尚无准确的理论关系。已建立了一些经验关系，在一定范围内可代表实验结果，也可满意地用于内插之类的数据处理。最简单的经验公式是 γ = γ0(1-bT ) (1) 其中T 为绝对温度。γ0和b 为随体系而变的经验常数。由于在液体临界温度时气-液界面将不存在，这时表面张力应该为零，故γ –T 关系可用对比温度表示： ??? ???? ??=c 01T T γγ (2) 其中T c 为液体临界温度。 考虑到一般液体在低于临界温度时表面张力已变为零，Ramsay 和 Shieds 建议改用下列经验公式： ()(6c 3 2??=T T k M νγ) (3) 其中M 为分子量，υ为比容，k 为常数。 van der Waals 从热力学角度改进了式(2)，得出 n T T ?????????=c 01γγ (4) 常用多项式来代表表面张力随温度变化的实验结果，一般形式为
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；
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
液体表面张力系数测定 一、实验简介 液体具有尽量缩小其表面的趋势，好象液体表面是一张拉紧了的橡皮膜一样。把这种沿着表面的、收缩液面的力称为表面张力。表面张力的存在能说明物质处于液态时所特有的许多现象，比如泡沫的形成、润湿和毛细现象等等。 测定液体表面张力的方法很多，常用的有焦利氏秤法（拉脱法）、毛细管法、平板法、滴重法、最大泡压法等。 本实验采用焦利氏秤法（拉脱法）。该方法的特点是，用秤量仪器直接测量液体的表面张力，测量方法直观，概念清楚。 二、实验原理 液体表面层（其厚度等于分子的作用半径）内的分子所处的环境跟液体内部的分子是不同的。 表面层内的分子合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，并使液体表面自然收缩 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 ＝σl 式中σ称为表面张力系数， 它的大小与液体的成分、纯度、 浓度以及温度有关。 三、实验方法 金属丝框缓慢拉出水面的过程中，金属丝框下面将带起一水膜，当水膜刚被拉断时，诸力的平衡条件是 /2F mg F =+ 而/ F l σ= 得到2F mg l σ-=
焦利秤的构造如图所示，它实际上是一种用于测微小力的精细弹簧秤。一般的弹簧秤都是弹簧秤上端固定，在下端加负载后向下伸长，而焦利秤与之相反，它是控制弹簧下端的位置保持一定，加负载后向上拉动弹簧确定伸长值。 三线对齐 为了保证弹簧下端的位置是固定的，必须三线对齐，即玻璃圆筒E上的刻线、小平面镜上的刻线、E 上的刻线在小平面镜中的象，三者始终重合。 在力F作用下弹簧伸长Δl，根据虎克定律可知，在弹性限度内 F = kΔl，将已知重量的砝码加在砝码盘中，测出弹簧的伸长量，由上式即可计算该弹簧的k值，由k值就可测外力F
水的表面张力与分子引力 在初中经常会遇到这样的物理题，考察的是“分子之间有引力”把干净的玻璃板吊在弹簧测力计的下面,记下测力计的读书.让玻璃板的下表面接触水面,然后稍稍用力向上拉,发现弹簧读书变大。答案经常说是因为是玻璃板与水的接触 面之间存在分子引力。 但我认为有可能是水的表面张力的原因。拉力增大是由于表面张力的缘故,玻璃与水是浸润的,拉起玻璃板时, 水的表面会有收缩趋势,会额外对玻璃板施加一个向下的拉力,因此弹簧秤示数增大。 那么什么是水的表面张力呢？ 我对水的表面张力的理解就是水想要尽可能的保持自身所能达到最小体积。还句话说就是促使液体表面收缩的力叫做液体的表面张力。所以当玻璃板和水面接触再慢慢提起的时候,水的表面张力回给玻璃板一个向下的力,使得弹簧秤的示数变大。 表面张力的形成同处在液体表面薄层内的分子的特殊受力状态密切相关。液体表面任意二相邻部分之间垂直于它们的单位长度分界线相互作用的拉力。表面张力的存在形成了一系列日常生活中可以观察到的特殊现象。例如：截面非常小的细管内的毛细现象、肥皂泡现象、液体与固体之间的浸润与非浸润现象等。 玻璃板上的水银滴基本上呈球形，这是因为水银滴外表面薄层内所有的分子都处在高势能状态。如使分子总势能为极小，则表面必定呈圆球形。如果设法消除重力的影响，例如把液滴放在比重相同又与液滴不起化学反应的另一种液体中，或在真空中自由下落，或在失重的人造卫星与火箭的环境中，则液滴将呈现理想的球形。荷叶上的球形露珠，也可以用相同的道理来解释：地表的引力是竖直向下的，因此，如果叶面是完全水平的，而且只有引力没有张力，那么水会铺满叶面形成一薄层水膜；水的表面张力类似于吹大的气球的皮膜上的张力，它使表面积尽可能地小，由于同等体积的前提下球体的表面积最小，因此，如果只有张力没有引力，那么露珠将呈现完美的圆球状。事实上，露珠是稍扁的球状，这显然是因为引力也有少许作用之故。 如果液体表面积增大ΔS，液体表面自由能增加ΔE，则表面张力系数σ等于增加单位表面积时，外力所需作的功，也可用下式表示σ=ΔE/ΔS。 这说明，表面张力系数σ在数值上等于增加单位表面积时所增加的表面能，在等温条件下能转变为机械能的表面内能部分，在热力学中称为表面自由能。从能的角度看，表面张力系数σ就是增加单位表面时所增加的表面自由能。 液体表面张力系数的性质表现为： 1.液体不同表面张力系数不同。例如，密度小的，容易蒸发的液体表面张力系数小，如液氢和液氦；已熔化的金属表面张力系数则很大； 2.表面张力系数随温度的升高而减小，近似地为一线性关系； 3.表面张力系数的大小还与相邻物质的化学性质有关；
实验二液体表面张力系数的测定（用拉脱法）本实验介绍拉脱法测定液体表面张力系数。拉脱法是一种直接测定法。 实验目的 1．了解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，计算该传感器的转换系数K。 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。 实验仪器 FB326型液体表面张力系数测定仪，游标卡尺。 FB326型液体表面张力系数测定仪是本实验所 用主要仪器，主要组成有：底座；立柱；传感器固 定支架；压阻力敏传感器；数字式毫伏表；有机玻 璃液体容器（连通器）；标准砝码（砝码盘）；圆筒 形吊环。如图所示。 实验原理 液体分子之间存在相互作用力，称为分子力。 液体内部每一个分子周围都被同类的其他分子包 围，它所受到的周围分子的作用，合力为零。而液体的表面层（其厚度等于分子的作用半径，约10 cm 左右）内的分子所处的环境跟液体内部的分子缺少了一半和它吸引的分子。由于液体上的气相层的分子数很少，表面层内每一个分子受到向上引力比向下的引力小， －4） 实验表明，α与液体种类、纯度、温度和液面上方的气体成分有关，液体温度越高，α
值越小，液体含杂质越多，α值越小，只要上述条件保持一定，则α是一个常数，所以测量α时要记下当时的温度和所用液体的种类及纯度。本实验的核心部分是准确测定 mg F -，即圆筒形吊环所受到向下的表面张力，用326FB 型液体的表面张力系数测定仪 测定这个力。 实验内容 1．开机预热15分钟。 2．清洗有机玻璃器皿和吊环。 3．在有机玻璃器皿内放入被测液体。 4．将砝码盘挂在力敏传感器的钩上。 5．若整机已预热15分钟以上，可对力敏传感器定标，在加砝码前应首先读取电子秤的初读数0V （该读数包括砝码盘的重量），（注：对于加有调零装置的仪器，可以通过调节机箱后面的调零旋钮，使初读数为零）。然后每加一个mg 00.500砝码，读取一个对应数据)mV (，记录到表格中，注意安放砝码时动作要应尽量轻巧。用逐差法求力敏传感器的转换系数 )mV /N ( _________K =。 6．换吊环前应先测定吊环的内外直径，然后挂上吊环，读取一个对应数据)mV (，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，逆时针转动活塞调节旋钮,使液体液面上升，当环下沿接近液面时，仔细调节吊环的悬挂线，使吊环水平，然后把吊环部分浸入液体中，这时候，按下面板上的按钮开关，仪器功能转为峰值测量，接着缓慢地顺时针转动活塞调节旋钮，这时液面逐渐往下降（相对而言即吊环往上提拉），观察环浸入液体中及从液体中拉起时的物理过程和现象。当吊环拉断液柱的一瞬间数字电压表显示拉力峰值1V 并自动保持该数据。拉断后，释放按钮开关，电压表恢复随机测量功能， 静止后其读数值为2V ，记下这个数值。连续做5次，求平均值。那么表面张力： ()K V V f ?-=21 表面张力系数： ()() 21 外内D D K V V L f +??-== πα 数据处理 1．用逐差法求仪器的转换系数)mV /N (K ： 数据记录表格 先记录砝码盘等作为初读数mV _________V 0=，然后每次增加一个砝码mg 00.500m =， （该标准砝码符合国家标准，相对误差为%005.0）
物理实验报告 实验名称：液体表面张力系数的测定学院：水利科学与工程学院 专业班级：水工1801 学号：201802979 学生姓名：周柱伟
实验成绩 实验预习题成绩： 1.什么是液体的表面？ 接触的表面存在一个薄层 2.液体表面的分子具有什么特点(表面张力产生的原因)？ 液体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3.液体表面张力系数是怎么定义的？ 表面张力系数σ是在温度T和压力p不变的情况下吉布斯自由能G对面积S的偏导数 4.液体表面张力系数与哪些因素有关？ 表面张力系数与液体性质，温度，液体所含杂质，相邻物质的化学性质有关5.简述拉脱法测量液体表面张力系数的原理(用矩形金属薄片或金 属环时，表面张力系数的具体表达式)。 测量一个已知周长的金属圆环或者金属片从待测液体表面脱离时所需的拉力，从而求得该液体表面张力系数的方法称为拉脱法。 6.焦利氏秤和普通的弹簧秤有所不同？
焦利氏秤实际上是一个特殊结构的弹簧秤，是用来测量铅直方向微小力的仪器之一。 一般的弹簧秤，弹簧的上端固定不动，在弹簧下端挂重物时，弹簧则伸长，物体重量可由指针所指示的标尺直接标出。而焦利氏秤上的弹簧是挂在可以上下移动的有刻度的管子上的，管外面套有外管，外管上有游标，旋转旋钮即可使管上下移动。 7.“三线对齐”是那三线？为什么要这样做？ 指标镜上的刻线，玻璃管上的刻线和玻璃管上刻线在镜中的像 水的表面张力近似为液膜破裂瞬间的拉力,保持“三线对齐”是为了能够使水膜破裂瞬间近似“三线对齐”,从而得到水膜破裂时精确的拉力。使能准确测出该拉力大小减少实验误差 8.焦利氏秤测定液体的表面张力有什么优点？ 测定表面张力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’，并且焦利氏秤的劲度系数较小，有游标卡尺式的读数尺，故测量精度高。 9.千分尺是否存在系统误差如何判断？如何调零？ 千分尺使用前，使移动测砧与固定测砧接触，观察微分筒上的棱边是否与固 定套筒上的零刻线重合，如果不重合即存在系统误差。当套筒上零刻线位于微分筒0～5方向上时即为正值，计算时需要减去其绝对值，相反方向即为负值，需要加上其绝对值。 10.比较逐差法与图解法处理实验数据的不同点。 在对某些函数关系并不明确的物理量进行测量时,常用作图法.数据点是离散的,
大连理工大学 大 学 物 理 实 验 报 告 院（系） 材料学院 专业 材料物理 班级 0705 姓 名 童凌炜 学号 5 实验台号 实验时间 2008 年 12 月 03 日，第15周，星期 三 第 5-6 节 实验名称 水表面张力系数的测定 教师评语 实验目的与要求： （1） 理解表面张力现象。 （2） 用拉脱法测定室温下水的表面张力系数。 主要仪器设备： FD-NST-I 型液体表面张力系数测定仪、砝码、镊子及其他相关玻璃器皿。 实验原理和内容： 分子间的引力和斥力同时存在，它们以及它们合力的大小随着分子间的距离的变化关系如图所示 对液体表面张力的理解和解释： 在液体和气体接触的表面有一个薄膜，叫做表面层，其宏观上就好像是一张绷紧了的橡皮膜，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。 计算张力时可以做如下的假设：想象在表面层上有一条长度为L 的分界线，则界限两端的表面张力方向垂直于界限，大小正比于L ，即f=αL（α为液体表面张力系数）。 实验中， 首先吊环是浸润在水中的， 能够受到表面张力的拉力作用。 测定仪的吊环缓慢离开水面，将拉起一层水膜，并受到向下的拉力f 拉。由于忽略水膜的重力和浮力， 成 绩 教师签字
吊环一共受到三个力，即重力W 、液面的拉力f 拉、传感器的弹力F F f W =+拉 试验中重力是常量，而与表面张力相关的拉力却随着水膜的拉伸而增大。水膜被拉断前瞬间的f 拉，就是表面张力f 。 圆环拉起水膜与空气接触有两个表面层，若吊环的内、外直径分别为D 1、D 2,则界限长度 L=πD 1+πD 2。根据界线思想定义的张力计算式得f=αL，则有 12F απ=（D +D ） 水膜被拉断前传感器受力F 1 112F απ=（D +D ）+W 在水膜拉断后传感器受力F 2 2F =W 由上面两式得水的表面张力系数的计算公式为 ) (212 1D D F F +-= πα 步骤与操作方法： （1）力敏传感器的定标 i. 开机预热10分钟。 ii. 将仪器调零后，改变砝码重量，再记录对应的电压值。得到U-G 关系， 完成传感器的 定标。 （2）水的表面张力及吊环内外径的测量 i. 测量吊环的内径D 1和外径D 2（各测量4次取平均）。 ii. 严格处理干净吊环。先用NaOH 溶液洗净，再用清水冲洗干净。 iii. 在升降台上安放好装有清水的干净玻璃皿，并挂上吊环，调节吊环水平（此步重要， 细 微的水平位置偏差将导致结果出现误差）。 iv. 升高平台，当吊环下沿部分均浸入水中后，下降平台。观察环浸入液体中及从液体中 拉起时的物理过程和现象，记录吊环即将拉断液面前瞬间的电压表读数V 1和拉断后的电压表读数V 2（该步骤重复8次）。
第29卷第5期2014年10月 大学化学 UNIVERSITY CHEMISTRY Vol.29No.5 Oct.2014 液滴尺寸与表面张力 刘引烽* 房嫄 赵凯凯 李琛骏 杨小瑞 周海堤 王宇翔 朱逸莉 徐华根 (上海大学材料科学与工程学院高分子材料系 上海200444) 摘要 液体的滴数问题是化学实验等实际工作中经常遇到的界面问题三液滴体积与液体的表面张力有关,因此一定体积的液体所具有的液滴数也与表面张力有关三但若仅考虑表面张力的影响而忽视密度的作用,则有可能得出不正确的结论三本文从一道考题入手,讨论了表面张力二密度等因素对液滴大小的影响,对考题答案进行了分析三 关键词 界面化学 液滴大小 表面张力 密度 液体的滴数问题是界面化学在化学实验等实际工作中经常遇到的问题三一滴液滴的大小与液体的表面张力有关,因此一定体积的液体所具有的液滴数也与表面张力有关三学生在课程学习和复习迎考时,往往会从各种复习资料中搜集试题来加以练习和巩固三我们注意到,关于胶体化学或界面化学课程,常有关于滴数的考题三有些参考试题及其解答是正确的,有些则有误三本文通过对一个考题的分析来辨析一些基本概念三 在某大学物理化学考试试卷中有以下一道考题:在同一条件下,用同一滴管分别滴下同体积的3种液体 水二硫酸水溶液二丁醇水溶液,则它们的滴数为( )三 A.一样多 B.水的最多,丁醇水溶液最少 C.硫酸水溶液最多,丁醇水溶液最少 D.丁醇水溶液最多,硫酸水溶液最少 资料中给出的答案是D,其原因分析是:因为硫酸溶液表面张力最大,可以托住的液滴质量最大,所以滴数最少;丁醇表面张力最小,可以托住的液滴质量最小,所以滴数最多三 这道考题能结合实际当然很好,但它的结论是正确的吗?我们将在下面进行分析三 表面张力与液滴大小密切相关三在表面张力的测定方法中,有一种就是采用滴重法来进行的三根据滴重法测定液体表面张力原理(Tate定律),对于表面张力为γ二半径为r二质量为m的液滴,应满足以下关系: 2πrγ=mg 但由于液滴滴落时并非完美的球形,而是会被拉长成椭球并产生一定的液柱,部分液柱会残留于毛细管底部并不下落,因此,该式在应用时需要进行校正三校正后的方程应该是: 2πrγf=mg 式中f是校正因子三于是,Tate方程可以写成: r=mg2πγf(1) 对于不同的物质,每一滴的质量并不一样,它与液滴体积(V)和密度(ρ)有关,因此: *通讯联系人,E?mail:liuyf@https://www.doczj.com/doc/dc14032493.html,
物理实验报告 一、实验题目：表面张力系数的测定 二、实验目的：学习焦利氏秤独特的设计原理并用它测量液体的表面张力系数。 三、实验原理： 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 '2F mg F += 2 'mg F F -= （1） 表面张力F ’的大小与分界线的长度成正比。即l F σ=' （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，测定表面张力系数的关键是测量表面张力F ’。 四、实验内容 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
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）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。 3．测量肥皂水的表面张力系数 用金属丝代替金属圈，重新确定弹簧的起始位置l0，测量步骤同2。 五、实验数据记录： 1、确定焦利氏秤上锥形弹簧的劲度系数： 表5.2.2—1 2、测量自来水的表面张力系数 表5.2.2—2 3、测量肥皂水的表面张力系数
《观察水的表面张力》教学设计 河北师范大学化学学院 教学目标：1.知道水有表面张力。 准备的材料有：一元硬币、滴管、纸杯、玻璃球、水。 将一元硬币平放在桌面上，让学生猜测究竟能撑多少滴水 小心的用滴管并记录下滴的数量 想不到吧，滴了44滴。硬币上的水才溢了出来。一元硬币上可以容纳43滴水。观察硬币上的水，你可以发现，硬币上的水象个小山包，里面好像有什么力量把水滴聚集在一起，这就是水的表面张力啦。从水漕里取出一本水，看看这一本水还能再加东西吗向里面慢慢放玻璃球，可以放多少呢让我们小心地试试看，直到加到第10个玻璃球，水才溢出去。现在，玻璃球已经装满半杯了，真不可思议。 由此可见，水分子之间的间隙并不是我们想象那样，密不可分， 科学探究：科学知识：1.认识水的表面存在着一股收缩的力——表面张力，表面张力可以改变。2.了解生活中水的表面张力
现象。情感态度、价值观：1.培养学生细 致观察、大胆预测、认真实验科学的习惯。 2.体验大自然的奥秘，进一步热爱科学探 究活动。教学准备：1.收集水的表面张力 材料。2.分组材料：玻璃杯两个、玻璃球、硬币、大头针、小块滤纸、滴管、洗洁精。教学过程：一、激趣导入1.谈话：看到我 们桌上的研究材料，聪明的同学一定能猜 到我们今天的研究内容和水有关。说到水，相信同学们一定不陌生，那么你们知道水 的哪些特点呢还知道水有什么特点吗（大 家的科学知识真不少！）今天的我们还要 继续来研究水的一个新的特点。如果不借 助船、木筏等工具，你们能在水面上悠闲 自在的散步吗对，肯定不行，只有在一些 武侠片中，我们才能看到一些轻功高手在 水面上疾驰如飞，不过这都是虚构的。但 是在自然界中却有一些动物能在水面上悠 闲自在的散步，你们见过吗想不想来看一 下2.（出示：水黾等的图片。）水黾的本领 大吧！看来它可是真正的轻功高手了。水黾 怎么可以在水面上而不沉下去呢想不想揭 开其中的奥秘。二、认识水的表面张力现 象1.讲述：我们首先借助大头钉来研究。
温度和压力对表面张 力的影响
三、温度和压力对表面张力的影响 可以从两个方面解释温度对表面张力的影响。一是温度对液体分子间相互作用力的影响。随着温度升高，分子热运动加剧，动能增加，分子间引力减弱，从而使得液体分子由内部到表面所需的能量减少。二是温度变化对表面两侧的体相密度的影响。温度升高，与表面层相邻的两体相的密度差变小，故表面张力减少。此二因素在宏观上均表现为温度升高表面张力下降。表12-1列出一些纯 液体在不同温度下的表面格力温度系数值。 表示液体表面张力与温度关系的经验公式是 尸亦1-旳）（12-10） 其中T为绝对温度。Y。可视为绝对零度时的表面张力，是一与体系有关的经验常 数。b也是一个随体系而变的常数，其值与液体的临界温度有关。由于在 臼=￡昴声0） 临界温度T c时，界面消失，表面张力为零，因此△代入（12- 10）得 r=/o 1J 考虑到一般液体在低于临界温度时表面张力已变为零, 议改用下列经验公式： 1 =k{T^-T-6) 其中M为液体的摩尔质量，u 为比容，k为常数 Van der Walls 从热力学角度改进了（12-11），得出 (12-11) Ramsay 和Shields 建 (12-12) (12-13)
指数n —般为接近1的常数。液体金属的n为1，有机物的n约为1.21 。 另一类表面张力-温度关系表达式为多项式， 厂二氏 + +dr3 +cT3(12-14) 例如，Harkins测定的水表面张力和力与温度关系被表示为 Y = 75.796-0.145t-0,00024-z-1(12-15)式中t为摄氏温度。此式的适用温度范围是10 —60C 由于表面张力与压力关系的实 验研究不易进行，因此，压力对表面张力的影响问题要复杂得多。一般情况下，增加体系的压力，气体在液体表面上的吸附和在液体中溶解度增大，因此，表面张力下降。
实验报告-液体表面张力系数的测定
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(2π r1+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D 1和内径D 2。 （3）记录吊环即将拉断液柱前一瞬间数字电压表的读数值U 1和拉断时瞬间数字电压表的读数U 2。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 测量次数 D 1/ mm D 2/ mm U 1/ mV U 2/ mV △U/m V f/10 - 3 N α/（10-3N/m ） 1 2 3 4 物体质量m/g 0.500 0.100 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 输出电压U/mV
焦利秤测水的表面张力 一(实验目的 了解表面张力系数的定义与应用，学会用焦利氏秤法测量表面张力系数。二(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 F=mg+2F ，得 F =(F-mg)/2 (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F = (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’。三(实验内容 焦利氏秤由固定在底座上的秤框、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。