水表面张力系数测定实验报告
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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 成 绩
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
教师签字
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,
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拉
W
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
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 D1 、 D2 ,
L=πD1+πD2。根据界线思想定义的张力计算式得 f= αL,则有
f 拉 ,
则界限长度
F
( D1 +D2)
水膜被拉断前传感器受力 F1
F1 ( D1 +D2) +W
在水膜拉断后传感器受力 F2
F2 W
由上面两式得水的表面张力系数的计算公式为
F1 F2
( D1 D2 )
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
定标。
U-G关系, 完成传感器的
2)水的表面张力及吊环内外径的测量
i.测量吊环的内径 D1 和外径 D2(各测量 4 次取平均)。
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) 。
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 V1 和拉断后的电压表读数 V2(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
na
0
1
2
3
4
5
6
7
V/mV
m/g
nb
7
6
5
4
3
2
1
0
V/mV
m/g
( 2) 表面张力 - 电压的测量
n
1
2
3
4
5
6
7
8
V1/mV
V2/mV 46
( 3) 圆环的内外径
n
1
2
D1/mm
D2/mm
结果与分析:
一、张力仪的定标
从已知数据,
令 Vi
Vai Vbi , F
mg , 得到一下结果
2
avgV/mV
F/N
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
=
Vi-k*Fi
v^2
SUM v^2
= mv2
Sv
=
Fi^2
SUMFi^2
Sv
6.176473639
Sk
Fi
2
Uk = Sk*t7 =
* = 14.
修约后的 Uk=1* 101 mV/N
k 的最终结果为± *10 3 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
n
1
2
3
4
5
6
7
8
V1/mV
avgV1_all
=
V1i-Vavg
V1^2
SUM V1i^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
n
1
2
3
4
5
6
7
8
V2/mV
46
avgV2_all
=
V2i-Vavg
V2^2
SUM V1i^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
n
1
2
D1/mm
D2/mm
D1avg=34.81mm , D2avg=33.21mm
UD1=UD2=0.02mm
得到内外径的最终结果为
D1
±0.02 mm
D2
±0.02 mm
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
F1
F2
0.069251676
( D1
D2 )
又 U
U v1
2
U v2
2
(U k )2
U D1
2
U D 2
2
0.000250345
(V1 V2 )2
k
( D1
D 2 )2
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:
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;
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;
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。