测量液体表面张力系数实验报告

48实验6、表面张力系数的测定

预习重点

1、脱法测表面张力系数的原理；

一、实验目的

液体表面张力系数是表征液体性质的一个重要参数，该参数在工业、医学和科学研究中有

着重要应用。有利于学生学习和掌握硅单晶电阻应变传感器的原理和方法

二、实验原理

2.1、表面张力的基本概念

液体表面上任何一条分界线两侧间的液体存在的使液面绷紧的相互吸引力，叫做表面张力。

产生原因是由于界面的原子或分子之间的距离比内部的原子或分子之间的距离大，原子或分

子的密度比较小，相对于物态内部而言其原子或分子的能量比较高，而这个能量的增高就是

表面张力的原因。表面张力促使液体缩小其表面面积，来减少未满足的化学价。由于球面是

同样体积下面积最小的体，因此在没有外力的情况下（比如在失重状态下），液体在平衡状

态下总是呈球状。

表面张力f的方向沿液体表面，且恒与分界线垂直，大小与分界线的长度成正比，即

fLα= （6-1）

式中α称为液体表面张力系数，单位为1

NM−

⋅，在数值上等于单位长度上的表面张力。热

力学对表面张力系数的定义为：表面张力系数α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：

()

TPG

Sα∂

=

∂

实验证明，表面张力系数的大小与液体的温度、纯度、种类和它上方的气体成分有关。

温度越高，液体中所含杂质越多，则表面张力系数越小。

2.1、吊环拉脱法测表面张力系数

表面张力的测量方法有很多种，如毛细

法、滴重法、表面波法等，本实验采用的则是

吊环拉脱法。

如图1所示，一个内、外半径为

1D、

2D

的金属环悬挂在硅单晶电阻应变力传感器上，

然后把它浸入液体中。当缓慢地向上金属环

时，金属环就会拉起一个与液体相连的水柱。由于表面张力的作用，力传感器的拉力逐渐达

到最大值F（超过此值，水柱即破裂），则F应当是金属环重力与水柱拉引金属环的表面张图6-1 吊环拉脱法测量原理

f

2D 1D 49力之和，即

F=G+f （6-2）

由于液面的直径与金属环的内外径相同，则有

液体表面张力系数的测量

【实验目的】

1、 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

2、 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。

3、 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

4、 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。

5、 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。

【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 1（a）所示的圆环状，并将该圆环吊挂在灵敏的测力计上，如图 1（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fLa= （L为圆形液膜的周长），则有

2FmgLs=+ （2）

所以

2FmgLs-= （3）

圆形液膜的周长L与金属圆环的平均周长,L相当，若圆环的内、外直径分别为1,2DD。则圆形液膜的周长 L≈L’=p（D1+D2）/2 （4）

将（4）式代入（3）式得()12FmgDDsp-=- （5）

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UKFD=D （6）

1 xx大学实验报告

课 程 物理实验 实验项目 液体表面张力系数的测定 成 绩

专业班级 学 号 实验日期

姓 名 同组人姓名 指导教师

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Ft Ft F

mg

图1 v1.0 可编辑可修改

2 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 + Ft （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

物理实验报告

实验名称：液体表面张力系数的测定

学院：安全与应急管理工程学院

专业班级：安全1802

学号：2018003964

学生姓名：王朝春

实验成绩实验预习题成绩：

1.什么是液体的表面？液体与气体、液体与固体以及不相混合的液体之间的界面。2.液体表面的分子具有什么特点(表面张力产生的原因)？表面层里的分子要比液体内部稀疏些,也就是分子间的距离比液体内部大些.在液体内部,分子间既存在着引力,又存在着斥力,引力和斥力的数量级相同,在通常的条件下可以认为它们的大小是相等的.在表面层里,分子间的距离大,分子间的相互作用表现为引力.所以存在着表面层液体各部分间相互吸引的力3.液体表面张力系数是怎么定义的？热力学对表面张力系数的广义定义为：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A的偏导数4.液体表面张力系数与哪些因素有关？（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；（4）表面张力系数还与杂质有关，加入杂质可促使液体表面张力系数增大或减小。一般说来醇、酸、醛、酮等有机物质大都是表面活性物质，比水的表面张力系数小得多。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)。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，外角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波面一液面里、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fgm2mF0）（(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