水表面张力系数的测定实验报告
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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）。
数据记录与处理：
以下为测量所得的直接数据（1）仪器的定标
（2）表面张力-电压的测量
（3）圆环的内外径
结果与分析：
一、张力仪的定标 从已知数据， 令bi
ai i V V V +=， mg F =， 得到一下结果
设两者存在关系V=kF ， 使用LINEST 函数直接对数据进行直线拟合， 得到 k=
接下来使用MLS 计算Uk ：
avgV_all =
SUMΔv^2 = mv2
SUMFi^2
96.176473632
==
∑i
v
k F
S S
Uk = Sk*t7 = * = 14. 修约后的Uk=1
10*1 mV/N k 的最终结果为±*103
mV/N
得到V-F 关系方程为 V=3400*F
二、拉力电压数据的处理 断膜瞬间电压V1
avgV1_all =
SUMΔV1i^2 =
Sv1 t7
Uv1a =Sv1*t7= mV
Uv1b =
Uv1
修约后的Uv1 V1的最终结果为
±
mV
断膜后电压V2
avgV2_all =
SUMΔV1i^2 =
Sv2
t7
Uv2a =Sv1*t7= mV
Uv2b =
Uv2
修约后的Uv2 V2的最终结果为
±
mV
三、圆环内外径数据的处理 D1avg=34.81mm ， D2avg=33.21mm UD1=UD2=0.02mm 得到内外径的最终结果为 四、水表面拉力系数的计算与处理 根据以上数据， 代入计算公式得到60.06925167)
(212
1=+-=
D D F F πα
又50.00025034)()()(2
212
2
2
122212
22
1=++++-+=D D U U k U V V U U U D D k v v α
α 修约后的Uα=
得到张力系数最终结果为α=±*10-3
N/m
讨论、建议与质疑：
（1） 吊环刚刚接触水面时，电压读数会跃变至一个较大值，然后在慢慢变小。
因为在刚刚接触水
表面时，水和吊环产生了浸润的现象，在吊环壁产生了一圈水膜，此时即存在张力，表现为对吊环向下的拉力，所以吊环刚刚接触水面时，传感器所受拉力会突然变大。
（2） 引起误差的原因会有一下几点：
1. 定标时砝码盘摇晃，会使传感器受到大于砝码盘（含砝码）重力的力的作用，这会导致 测得的电压值偏大，致使定标获得的k 过大，导致最后求得的结果偏小；
2. 如果吊环不水平，则会导致水面在下降过程中，水膜并不是同时破裂，实际作用于吊环
的水膜长度只是吊环周长的一小部分，这会会导致最后求得的结果偏小；
3. 测定仪测量电压值并不是连续的，需要一定的时间来进行反应，若在水膜即将破裂时水
面下降过快，传感器尚未显示出实际的最大电压值，吊环就已经脱离水面。
这样会导致
所测得的张力过小，从而导致求得的系数过小；
（3）生活中常见的表面张力现象有：水杯中盛半杯水时，水面边缘沿内杯壁向上延展一定高度；盛满水后在添加少量水，可以看到水面高出杯壁，呈现拱形，但没有水溢出。
在平整干燥且洁净的玻璃表面滴上水滴，可以看到水滴总是以最快的速度缩成尽可能地接近圆形，而起初水滴的形状如何。
（4）对本实验的体会与改进建议：
本实验中最终要的测量步骤是测量吊环与水膜断开瞬间的电压值，由于是瞬时值，故对操作的要求很高。
在实验中可以发现，当液面从最高点（此时认为吊环已经浸润）开始下降时，传感器的电压示数呈现如下的变化规律：一开始电压随液面的下降而上升，此时可以较快地旋转升降螺母使液面下降；电压上升到某一较大值后，将在一段时间内维持不变，此时表明水膜的拉力以达到最大值，应放慢螺母旋转的速度，使水面缓慢下降；之后电压将呈现下降的趋势，这时说明水膜即将破裂，应极其缓慢地旋转螺母，保证液面平稳下降且不产生波纹，同时密切注意电压读数和水膜状态，一面观察水膜，一面逐个记忆读数，当水膜破裂瞬间得到的读数，即为所需的测量值。
做实验中发现，吊环仪器的制作比较粗糙，用于悬挂的金属丝长度不整且有较严重的扭曲，这些都不利于吊环的水平位置调节。
因此建议对吊环仪器应当精密制作，使用三根等长的金属丝，拴在吊环中心对称且等高的三个孔上，并且上端在同一长度位置上拧成一股，这样可以保证静止悬挂时，吊环即处在基本符合标准的水平位置上。
