PAGE PAGE 1 实验报告 26系06级 姓名:王海亮 学号:P实验题目:焦利氏秤法测液体表面张力 试验目的: 在本实验中要着重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。了解表面张力的意义,表面张力描述了液体表层附近分子力的宏观表现。学会用逐差法,画图法求弹簧秤的劲度系数。 实验原理: 1. 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 得(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’。 2. 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。 实验内容: 1确定焦利氏秤上锥形弹簧的劲度系数把锥形弹簧,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。 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。数据如表所示: m/s 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 x/cm 3.06 3.55 4.04 4.45 4.94 5.40 5.87 6.34 逐差法计算弹性系数: 用图形法求k: 图线方程为:y =1.073x-2.8 , 所以劲度系数k=1.073N/m 2.测量自来水的表面张力系数 用钢板尺测量金属圈的直径和金属丝两脚之间的距离。 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=2.95cm。 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。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5次,取平均,计算自来水的表面张力系数和A类不确定度。 同理: 3.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。 金属丝宽度: 示数位置: 五次测量值为: 平均值:,标准差: 当P=0.68: 0.007 同理:P =0.95时:0.002cm P=0.99时:0.004cm 思考题 焦利氏秤法测定液体的表面张力有什么优点? 答:(1)做成锥形克服因弹簧自重引起弹性系数的变化,减小了系统误差。 (2)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’。 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, 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:这是虹吸现象,不是永动机.原因: (1)连通器两侧液面所受大气压强相等来实现的,当连通器两侧液面不等高时大气压强是不相等的,那么在大气压强的作用下,液体将从一侧流向另一侧,直到两侧液面大气压强相等为止. 虹吸作用也并不完全是由大气压力所产生的,使液体向上升的力是液体表面的张力, 在发生虹吸现象时,由於管内往外流的液体比流入管子内的液体多,两边的重力不平衡,所以液体就会继续沿一个方向流动。