液体表面张力系数的测定

    液体的表面张力是表征液体性质的一个重要参数．测量液体的表面张力系数有多种方法，拉脱法是测量液体表面张力系数常用的方法之一．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．用拉脱法测量液体表面张力，对测量力的仪器要求较高，由于用拉脱法测量液体表面的张力约在1×10^-3～1×10^-2 N之间，因此需要有一种量程范围较小，灵敏度高，且稳定性好的测量力的仪器．近年来，新发展的硅压阻式力敏传感器张力测定仪正好能满足测量液体表面张力的需要，它比传统的焦利秤、扭秤等灵敏度高，稳定性好，且可数字信号显示，利于计算机实时测量，为了能对各类液体的表面张力系数的不同有深刻的理解，在对水进行测量以后，再对不同浓度的酒精溶液进行测量，这样可以明显观察到表面张力系数随液体浓度的变化而变化的现象，从而对这个概念加深理解。

[实验目的]                                

1．用拉脱法测量室温下液体的表面张力系数

2．学习力敏传感器的定标方法

[实验原理]

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，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  

F=α·π(D₁十D₂)      （1）

式中，F为脱离力，D₁，D₂分别为圆环的外径和内径，α为液体的表面张力系数．

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

△U=KF               （2）

式中，F为外力的大小，K为硅压阻式力敏传感器的灵敏度，△U为传感器输出电压的大小。

[实验装置]

1.结构图

图1 结构图

1、水平调节螺丝 2、升降螺丝 3、玻璃器皿 4、吊环  5、力敏传感器 6、支架  7、固定螺丝  8、航空插头  9、底座  10、数字电压表  11、调零

图2为实验装置图,其中,液体表面张力测定仪包括硅扩散电阻非平衡电桥的电源和测量电桥失去平衡时输出电压大小的数字电压表．其他装置包括铁架台,微调升降台,装有力敏传感器的固定杆,盛液体的玻璃皿和圆环形吊片,实验证明,当环的直径在3cm附近而液体和金属环接触的接触角近似为零时.运用公式(1)测量各种液体的表面张力系数的结果较为正确。

 

               

图2 液体表面张力测定装置

2.仪器组成及技术指标

2.1 硅压阻力敏传感器

（1）受力量程：0—0.098N

（2）灵敏度：约3.00V/N（用砝码质量作单位定标）

（3）非线性误差：≤0.2%

（4）供电电压：直流3～6伏

2.2 显示部分

（1）读数显示：200 mV  三位半数显表

（2）调零：手动多圈电位器

（3）连接方式：5芯航空插头

2.3 力敏传感器固定支架、升降台、底板及水平调节装置

2.4 吊环：外径φ3.5cm、内径φ3.3、高0.8cm的铝合金吊环。

2.5 直径φ12.00cm或φ13.00cm玻璃器皿一只

2.6 砝码盘及0.5克砝码7只

2.7用本仪器测量水等液体的表面张力系数的误差≤5%

3. 使用步骤

3.1 开机预热。

3.2 清洗玻璃器皿和吊环。

3.3 在玻璃器皿内放入被测液体并安放在升降台上。（玻璃盛器底部可用双面胶与升降台面贴紧固定）

3.4 将砝码盘挂在力敏传感器的钩上。

3.5 若整机已预热15分钟以上，可对力敏传感器定标，在加砝码前应首先对仪器调零，安放砝码时应尽量轻，并在它晃动停止之后，方可读数。

3.6 换吊环前应先测定吊环的内外直径，然后挂上吊环，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，以顺时针转动升降台大螺帽时液体液面上升，当环下沿部分均浸入液体中时，改为逆时针转动该螺帽，这时液面往下降（或者说相对吊环往上提拉），观察环浸入液体中及从液体中拉起时的物理过程和现象。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U₁，拉断时瞬间数字电压表读数为U₂。记下这两个数值。

4.整机使用注意事项

4.1 吊环须严格处理干净。可用NaOH溶液洗净油污或杂质后，用清洁水冲洗干净，并用热吹风烘干。

4.2 吊环水平须调节好，注意偏差1⁰，测量结果引入误差为0.5%；偏差2⁰，则误差1.6%。

4.3 仪器开机需预热15分钟。

4.4 在旋转升降台时，尽量使液体的波动要小。

4.5 实验室内不可有风，以免吊环摆动致使零点波动，所测系数不正确。

4.6 若液体为纯净水。在使用过程中防止灰尘和油污及其它杂质污染，特别注意手指不要接触被测液体。

4.7 力敏传感器使用时用力不宜大于0.098N。过大的拉力传感器容易损坏。

4.8 实验结束须将吊环用清洁纸擦干，用清洁纸包好，放入干燥缸内。

[实验内容]

一、必做部分

1、力敏传感器的定标

每个力敏传感器的灵敏度都有所不同，在实验前，应先将其定标，定标步骤如下：

（1）打开仪器的电源开关，将仪器预热。

（2）在传感器梁端头小钩中，挂上砝码盘，调节调零旋钮，使数字电压表显示为零。

（3）在砝码盘上分别如0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g等质量的砝码，记录相应这些砝码力F作用下，数字电压表的读数值U.

（4）用最小二乘法作直线拟合,求出传感器灵敏度K.

2、环的测量与清洁：

（1）用游标卡尺测量金属圆环的外径D₁和内径D₂

（2）环的表面状况与测量结果有很大的关系，实验前应将金属环状吊片在NaＯＨ溶液中浸泡20～30秒，然后用净水洗净。

3、液体的表面张力系数

（1）将金属环状吊片挂在传感器的小钩上，调节升降台，将液体升至靠近环片的下沿，观察环状吊片下沿与待测液面是否平行，如果不平行，将金属环状片取下后，调节吊片上的细丝，使吊片与待测液面平行。

（2）调节容器下的升降台，使其渐渐上升，将环片的下沿部分全部浸没于待测液体，然后反向调节升降台，使液面逐渐下降，这时，金属环片和液面间形成一环形液膜，继续下降液面，测出环形液膜即将拉断前一瞬间数字电压表读数值U₁和液膜拉断后一瞬间数字电压表读数值U₂。

△U＝U₁-U₂

（3）将实验数据代人公式（2）和（1），求出液体的表面张力系数，并与标准值进行比较。

二、选做部分

测出其他待测液体，如酒精、乙醚、丙酮等在不同浓度下的表面张力系数

三、实验数据和记录

1、传感器灵敏度的测量

表5

经最小二乘法拟合得K=      mV/N,拟合的线性相关系数r=     

2、水的表面张力系数的测量

金属环外径D₁=      cm,内径D₂=       cm,  水的温度：t=      ℃.

表 6

平均值：=      N/m

附：水的表面张力系数的标准值：

第二篇：液体表面张力系数的测量1

实验报告

班级　微电子101　姓名　贺鸿浩学号10105110 日期　2011.10.24     

室温　26.2℃　　  气压　102.29kpa　成绩　　　　教师　   　　

实验名称　　       液体表面张力系数的测量　        　　

【实验目的】

1．了解液体表面性质

2．学习采用液体表面张力系数测定仪的使用方法

3．学习用拉脱法测表面张力系数的原理和方法

【实验仪器】

液体表面张力测定装置、砝码盘和砝码、圆环型吊片、卡尺、温度计

图1液体表面张力测定装置

【实验原理】

1. 拉脱法

测量一个已知周长的金属圆环或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。所需的拉力是由液体表面张力、环的内外径及液体材质、纯度等因素决定。

2. 吊环法和吊片法比较

（1）吊环法：使用金属细线制成吊环时，在液膜被拉破的瞬间接触角不接近于零，此时所测得的力是表面张力向下的分量，因而所得表面张力系数误差较大，必须用修正公式对测量结果进行修正。

（2）吊片法：虽然液膜被拉破的瞬间接触角趋近于零，但在具体测量时，由于吊片在拉脱过程中容易发生倾斜,实验时吊片的长度上限为3—4cm，而在测量力时，则希望力大                           一点,有利于提高测量精确度。

 （3）片状吊环：新设计有一定厚度的片状吊环。经过对不同直径吊环的多次试验，发现当吊环直径等于或略大于3.3cm时,在液膜被拉破的瞬间液体与金属环之间的接触角接                           近于零，此时接触面总周长约为20cm左右。在保持接触角为零时，能得到一个                           较大的待测力。

3. 实验原理

使用片状吊环，在液膜拉破前瞬间，考虑一级近似，认为液体的表面张力为：

f = f1 + f2 = αл(D1+ D2)

    这里α为表面张力系数，D1、D2分别为吊环的外径和内径。

片状吊环在液膜拉破前瞬间有：

    此时传感器受到的拉力F₁和输出电压U₁成正比，有： U₁ = BF₁

片状吊环在液膜拉破后瞬间有： F₂ = mg

     同样有        U₂ = BF₂

片状吊环在液膜拉破前后电压的变化值可表示为：

U1－ U2 = △U = B· △F = B（F1－ F2）= Bαл(D1+ D2)

由上式可以得到液体的表面张力系数为：

这里U₁：液膜拉断前瞬间电压表的读数，U₂：膜拉断后瞬间电压表的读数

实验内容（用拉脱法测量水的表面张力）：

1．力敏传感器进行定标，用最小二乘法作直线拟合，求出传感器灵敏度B。

2．游标卡尺测量金属圆环的内、外直径。
3．金属环状吊片挂在传感器的小钩上，调节升降台，将液体升至靠近环片的下沿，观察环状吊片下沿与待测液面是否平行，将金属环状吊片取下后，调节吊片上的细丝，使吊片与待测液面平行。（注意 ：吊环中心、玻璃皿中心最好与转轴重合。）
4．调节容器下的升降台，使其渐渐上升，将环片的下沿部分全部浸没于待测液体。然后反向调节升降台，使液面逐渐下降。这时，金属环片和液面间形成一环形液膜，出现“浸润”现象，继续下降液面，测出环形液膜即将拉断前一瞬间数字电压表读数值 U1和液膜拉断后一瞬间数字电压表读数值U2。（注意 ：液膜断裂应发生在转动的过程中，而不是开始转动或转动结束时，因为此时振动较厉害，应多次重复测量。）

【实验步骤】

1.开机预热（15分钟）

2.将水盛入玻璃器皿内（1cm左右），用双面胶与升降台面贴紧固定。

3.将砝码盘挂在力敏传感器的钩上

4.对力敏传感器定标，在加砝码前首先对仪器调零

5.测吊环内外直径，挂上吊环，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，以顺时针转动升降台大螺帽时液体液面上升，当环下沿部分均浸入液体中时，改为逆时针转动该螺帽，这时液面往下降（或者说相对吊环往上提拉），观察环浸入液体中及从液体中拉起时的物理过程和现象。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U₁，拉断时瞬间数字电压表读数为U₂。记下这两个数值。

【实验数据记录及处理】

^{2.吊环的内、外直径}

3．纯水的表面张力系数测量（水的温度  26.2   ℃）

4.计算

71.4*0.0002048/(3.1415*0.06806)=0.0685

(0.072-0.0685)/0.072*100%=4.86%

【实验小结与讨论】

1．  什么是表面张力？什么是表面张力系数？

2．  简述拉脱法的原理。

3．  实验中使用的测力装置是力敏传感器，在使用前要对其定标。若已知定标结果为一直线，那么在定标时至少应选取多少个数据点？数据点的数值范围应如何选取？