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

姓名童凌炜学号200767025实验台号

实验时间2008年12月03日，第15周，星期三第5-6节

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

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f_拉，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,则界限长度

L=πD₁+πD₂。根据界线思想定义的张力计算式得f=αL，则有

水膜被拉断前传感器受力F₁

在水膜拉断后传感器受力F₂

由上面两式得水的表面张力系数的计算公式为

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U-G关系，完成传感器的定标。

（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）。

                      ii.              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）。

                     iv.              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

（2）       表面张力-电压的测量

（3）       圆环的内外径

结果与分析：

一、张力仪的定标

从已知数据，令，，得到一下结果

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=3444.01203

接下来使用MLS计算Uk：

Uk=Sk*t7=6.176473639*2.36=14.57647779

修约后的Uk=mV/N

k的最终结果为(3.4±0.01)*10³mV/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

断膜后电压V2

三、圆环内外径数据的处理

D1avg=34.81mm，D2avg=33.21mm

UD1=UD2=0.02mm

得到内外径的最终结果为

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

又

修约后的Uα=0.0002

得到张力系数最终结果为α=(69.2±0.2)*10^-3N/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：
1.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；
2.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；
3.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。

 

第二篇：水的表面张力系数

F/g0V/mg-0.25V175.9V220.43.920.511.515.43146.675.875.875.920.420.520.43.893.883.860.1240.10.025376

22.56277.6

bsy

sb

76.17620.420.43.883.8733.593108.631.0750.0847790.0847790.026163

76.276.120.420.3

3.863.85

AVE标准差75.9750.14880520.40.053452

3.873.890.019

0.020028