表面张力系数的测定

【实验目的】

1. 学习FD-NST-I型液体表面张力系数测定仪的使用方法；

2. 用拉脱法测定室温下液体的表面张力系数

【实验仪器】

FD-NST-I型液体表面张力系数测定仪、片码、铝合金吊环、吊盘、玻璃器皿、镊子

【实验原理】

液体分子之间存在相互作用力，称为分子力。液体内部每一个分子周围都被同类的其他分子包围，它所受到的周围分子的作用，合力为零。而液体的表面层（其厚度等于分子的作用半径，约左右）内的分子所处的环境跟液体内部的分子缺少了一半和它吸引的分子。由于液体上的气相层的分子数很少，表面层内每一个分子受到向上引力比向下的引力小，合力不为零，出现一个指向液体内部的吸引力，所以液面具有收缩的趋势。这种液体表面的张力作用，被称为表面张力。

表面张力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

                                            （1）

式中称为液体的表面张力系数，单位为N×M^-1，在数值上等于单位长度上的表面张力。试验证明，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。

将内径为D₁，外径为D₂的金属环悬挂在测力计上，然后把它浸入盛水的玻璃器皿中。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，测力计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力之和，即

                                           （2）

由于水柱有两个液面，且两液面的直径与金属环的内外径相同，则有

                                                                        （3）

则表面张力系数为

                                       （4）

表面张力系数的值一般很小，测量微小力必须用特殊的仪器。本实验用FD-NST-I型液体表面张力系数测定仪进行测量。FD-NST-I型液体表面张力系数测定仪用到的测力计是硅压阻力敏传感器，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。

若力敏传感器拉力为F时，数字式电压表的示数为U，则有

                                               （5）

式中B表示力敏传感器的灵敏度，单位V/N。

吊环拉断液柱的前一瞬间，吊环受到的拉力为；拉断时瞬间，吊环受到的拉力为。

若吊环拉断液柱的前一瞬间数字电压表的读数值为U₁，拉断时瞬间数字电压表的读数值为U₂，则有

                                                                   （6）

    故表面张力系数为

                        （7）

【实验内容与步骤】

1. 开机预热15分钟；

2. 清洗玻璃器皿和吊环；

3. 调节支架的底脚螺丝，使玻璃器皿保持水平；

4. 测定力敏传感器的灵敏度

①. 预热15分钟以后，在力敏传感器上吊上吊盘，并对电压表清零；

②. 将7个质量均为0.5g的片码依次放入吊盘中，分别记下电压表的读数U₀~U₇；再依次从吊盘中取走片码，记下读数U₇~U₀。将数据填入表1中。

5. 测定水的表面张力系数

①. 将盛水的玻璃器皿放在平台上，并将洁净的吊环挂在力敏传感器的小钩上，并对电压表清零；

②. 逆时针旋转升降台大螺帽使玻璃器皿中液面上升，当环下沿部分均浸入液体中时，改为顺时针转动该螺帽，这时液面往下降（或者说吊环相对往上升）。观察环浸入液体中及从液体中拉起时的物理现象。记录吊环拉断液柱的前一瞬间数字电压表的读数值U₁，拉断时瞬间数字电压表的读数值U₂。重复测量5次。

【注意事项】

1. 吊环应严格处理干净。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. 必须使吊环保持竖直，以免测量结果引入较大误差。

3. 实验之前，仪器须开机预热15分钟。

4. 在旋转升降台时，尽量不要使液体产生波动。

5. 实验室不宜风力较大，以免吊环摆动致使零点波动，所测系数不准确。

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

7. 玻璃器皿放在平台上，调节平台时应小心、轻缓，防止打破玻璃器皿。

8. 调节升降台拉起水柱时动作必须轻缓，应注意液膜必须充分地被拉伸开，不能使其过早地破裂，实验过程中不要使平台摇动而导致测量失败或测量不准。

9. 使用力敏传感器时用力不大于0.098N。过大的拉力传感器容易损坏。

10. 实验结束后须将吊环用清洁纸擦干并包好，放入干燥缸内。

【数据记录及处理】

表1  力敏传感器的灵敏度B的测定

逐差法求                   

则                 

表2 水的表面张力系数的测定

吊环内径D₁=3.310cm，外径D₂=3.496cm

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