实验报告 5-

姓名：李鑫学号：PB06210294学院：信息学院日期：6月10日

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。

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

           

                                    （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

                                         （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’。

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。

焦利氏秤和普通的弹簧秤有所不同：普通的弹簧秤是固定上端，通过下端移动的距离来称衡，而焦利氏秤则是在测量过程中保持下端固定在某一位置，靠上端的位移大小来称衡。其次，为了克服因弹簧自重引起弹性系数的变化，把弹簧做成锥形。由于焦利氏秤的特点，在使用中应保持让小镜中的指示横线、平衡指示玻璃管上的刻度线及其在小镜中的像三者对齐，简称为三线对齐，作为弹簧下端的固定起算点。

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。

数据记录处理:

1、确定焦利氏秤上锥形弹簧的劲度系数k

（1）作图法：

 

（2）由作图法,计算斜率得k1=0.957g/cm=0.937N/m

逐差法：()

由逐差法计算得出k2=0.947g/m=0.928N/m。

两种方法得到的k的平均值，就是最终的k值:

k=0.9325N/m

2、测量自来水的表面张力系数

（1）金属圈直径的测量

（2）焦利氏秤的读数

由k=0.9325N/m, =1.40cm, =3.52cm,

得到

3、测量肥皂水的表面张力系数

（1）金属丝长度的测量

（2）焦利氏秤的读数

由k=0.9325N/m, =0.20cm, =3.69cm,

得到

不确定度分析：

1、劲度系数k=0.9325N/m，=0.006

2、，

当时，t=1.32 , =0.002㎝, C=

(1)自来水中：=0.025,则=0.033cm

(2)肥皂水中：=0.021,则=0.028cm

3、

当时，t=1.32 , =0.01㎝, C=3

(1)金属圈直径d：=0.026,则=0.033cm

(2)金属丝长度l：=0.006,则=0.001cm

4、不确定度计算：

误差传递公式：

（1）自来水的表面张力系数测定的不确定度：

由k=0.9325N/m ,=1.40cm ,d=3.52cm

=0.002

（2）肥皂水的表面张力系数测定的不确定度：

由k=0.9325N/m , =0.20cm =3.69cm

 =0.001

最终结果：

自来水的表面张力系数：    P=0.68

肥皂水的表面张力系数：    P=0.68

实验思考题：

1、焦利氏秤法测定液体的表面张力有什么优点？

答：焦利氏秤则是在测量过程中保持下端固定在某一位置，靠上端的位移大小来称衡，因而可以迅速测出液膜即将破裂时的F，克服了用普通的弹簧是很难迅速测出液膜即将破裂时的F这一困难，可以方便地测量表面张力。焦利氏秤还把弹簧做成锥形，克服了因弹簧自重引起弹性系数的变化，实验精度较高。

2、有人利用润湿现象设计了一个毛细管永动机（图5.2.1-3）。A管中液面高于B管，由连通器原理，B管下端滴水，而滴水可以作功，水又回到槽内，成为永动机。试分析其谬误所在。

答：该装置的谬误之处在于忽视了液体的表面张力的作用，A管中液面虽然高于B管，但由于水有表面张力，液面差所提供的动力不能够使B管水滴顺利地滴下，于是不可能制成这种“永动机”。

实验体会：

在这样一次实验中，我们要注意的情况有这样一些；首先就是物理实验的数据处理方法，其中涉及的最重要的就是逐差法；还有的就是在实验的过程中，恰好破裂这样尺度的掌握，我在实验的过程中，采用了这样的方法。首先我在调节刻度读数的时候记录一下大概的数值，再没有到达该数值的时候进行粗调，快要到达该数值的时候，进行微调，我想这样可能会比较准确，但是这必须要保证三线合一。

自来水的表面张力系数误差比较大

第二篇：21.FD-NST-I液体表面张力测定仪说明书

 

FD—NST—I

液体表面张力系数测定仪

（专利产品金奖）

说明书

上海复旦天欣科教仪器有限公司

中国   上海

一、概述

FD-NST-Ⅰ型液体表面张力系数测定仪是一种新型拉脱法液体表面张力系数测定仪。由复旦大学物理实验教学中心与上海复旦天欣科教仪器有限公司联合研制的新仪器与原测量仪器相比，具有以下三个优点：1）用硅压阻力敏传感器（又称半导体应变计）测量液体与金属相接触的表面张力，该传感器灵敏度高，线性和稳定性好，以数字式电压表输出显示。2）用一定高度的薄金属环及金属片替代原细铂丝环或铂丝刀口，新的吊环不易变形，反复使用不易损坏或遗失。3）吊环的外型尺寸经专门设计和实验试验，对直接测量结果一般不需要校正，可得到较准确可靠的结果。

因此本仪器测量液体的表面张力系数误差小，重复性好；有利于学生学习和掌握硅压阻力敏传感器的原理和方法。本仪器是各类高校、中等专科学校物理实验和物理化学实验的理想优质仪器。本仪器获得国家专利局颁发的专利金质奖。

二、 用途

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、测量纯水和其它液体的表面张力系数。

4、测量液体的浓度与表面张力系数的关系（如酒精不同浓度时的表面张力系数）

三、仪器组成及技术指标

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5-12伏

2、显示仪器

（1）读数显示：200 mV  三位半数字电压表

（2）调零：手动多圈电位器

（3）连接方式：5芯航空插头

3、力敏传感器固定支架、升降台、底板及水平调节装置

4、吊环：外径φ3.496cm、内径φ3.310、高0.85cm的铝合金吊环。

5、直径φ12.00cm玻璃器皿一套

6、砝码盘及0.5克砝码7只。

7、外型尺寸

（1）支架及底盘尺寸：280mm×280mm×320mm

（2）仪  器  尺  寸：240mm×240mm×100mm

8、用本仪器测量水等液体的表面张力系数的误差≤5%

四、整机使用注意事项

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。

2、吊环水平须调节好，注意偏差，测量结果引入误差为0.5%；偏差，则 误差1.6%。

3、仪器开机需预热15分钟。

4、在旋转升降台时，尽量使液体的波动要小。

5、工作室不宜风力较大，以免吊环摆动致使零点波动，所测系数不正确。

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。

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。

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。

五、使用步骤

1、开机预热。

2、清洗玻璃器皿和吊环。

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）

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，在加砝码前应首先对仪器调零，安放砝码时应尽量轻。

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。

六、实验数据例

1、硅压阻力敏传感器定标

力敏传感器上分别加各种质量砝码，测出相应的电压输出值，实验结果见表1。

表1 力敏传感器定标

经最小二乘法拟合得仪器的灵敏度B=2.938×10³mV/N，拟合的线性相关系数r=0.9997。上海地区重力加速度g=9.794m/S²。

2、水和其它液体表面张力系数的测量

用游标卡尺测量金属圆环：外径D₁=3.496cm,内径D₂=3.310cm，调节上升架，记录环在即将拉断水柱时数字电压表读数U₁，拉断时数字电压表的读数U₂，结果见表2。

表2 纯水的表面张力系数测量 (水的温度24.30℃)

在此温度下水的表面张力系数为72.54×10^-3N/m。经查表，在T=24.30℃时水的表面张力系数为72.14×10^-3N/m，百分误差为0.55%。

表3  乙醇的表面张力系数测量(乙醇的温度T=25.20℃)

在此温度下乙醇表面张力系数为21.85×10^-3N/m。经查表，在T=25.20℃时乙醇的表面张力系数为21.95×10^-3N/m，百分误差为0.46%。

表4  甘油(丙三醇)的表面张力系数测量(甘油的温度:T=24.30℃)

在此温度下甘油的表面张力系数为58.16×10^-3N/m。经查表，在T=24.30℃时，甘油的表面张力系数为59.40×10^-3N/m，百分误差为2.1%。

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

f=π(D₁+D₂)α   （1）

式中： D₁、D₂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：

                  α=f/[π(D₁+D₂)]   （2）

由（1）式，得液体表面张力

f=(U₁－U₂)/B  (3)

B为力敏传感器灵敏度，单位V/N。

七、结构图（如下所示）

1、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

参考文献：

1、贾玉润　等.　大学物理实验[M]. 复旦大学出版社，1987.

2、A.W．亚当林. 表面的物理化学[M]. 科学出版社，1984.

3、顾惕人，等.　表面化学[M].　科学出版社，1994.

4、沈元华　陆申龙.　基础物理实验[M]. 北京：高等教育出版社.2003

5、焦丽凤　陆申龙.　用力敏传感器测量液体表面张力系数.物理实验.第22卷第7期.2002.7：40—42

6、沈易 陆申龙 曹正东. 新型半导体应变计液体表面张力系数测定仪的研制.实验技术与管理.第20卷第1期.2003.2：39—42