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] 图14-1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14-1 液体表面张力测定装置

[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，步骤如下：打开仪器地电源开关，将仪器预热。

（1）在传感器梁端头小钩中，挂上砝码盘，调节电子组合仪上的补偿电压旋钮，使数字电压表显示为零。

（2）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 （关于游标卡尺的使用方法请阅实验1）

（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、丙酮等在不同浓泄劲时的表面张力系数

 

第二篇：拉脱法测定液体表面张力系数的实验研究

２００９年１２月湛江师范学院学报ＤｅＣ．．２００９

第３０卷第６期ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＺＨＡＮ儿ＡＮＧＮＯＲＭＡＬＣＯＬＬＥＧＥＶ０１．３０ＮＯ．６

拉脱法测定液体表面张力系数的实验研究

詹强，张道清，陈霞’

（湛江师范学院物理科学与技术学院．广东湛江５２４０４８）

摘要：经典的拉脱法测定液体表面张力系数实验中．我们改变实验的液体和拉起液体框的形状．以此探讨不

同液体和不同浓度液体的表面张力系数．实验表明．用圆环测得液体表面张力系数比用门形框准确；蔗糖和盐水的

液体表面张力系数均随溶液浓度增大而增大。呈近似线性关系．酒精则随浓度的增大而减小．呈近似对数关系．

关键词：拉脱法；液体表面张力系数；圆环；门形框；溶液浓度

中图分类号：０４８４文献标识码：Ａ文章编号：１００６—４７０２（２００９）０６－－００６４－－０４

Ｏ引言

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［１］．在教学实验中，我们仅对水的表面张力系数进行了测量．由于仅通过一次简单实验，学生对于其中的一些问题和理论认识还仅仅停留在表面［２］，不利于学生实验研究能力的提高．将本课题作为研究性实验，让学生在开放实验室分别用圆环和门形框测量液体表面张力系数，并作对比研究；还可研究不同液体的表面张力系数与其浓度的关系，一方面可以加深对液体表面张力概念的理解和认识，拓展知识面．另一方面使学生学会用实验的方法探究两个变量之间的关系，从而真正提高学生的实验创新能力．

１改变拉起液体框的形状以及放置方位的实验研究

在大多实验方案中我们都是采用门形框作实验物体，这次改用一定规格的门形框和圆环框分别进行实验．１．１门形框的相关测量及数据处理

实验中，门形框的长度ｌ为４５．０４ｍｍ，金属丝的直径ｄ为０．４０５ｍｍ，弹簧劲度系数量一１．３４８Ｎ／ｍ，实验液体为纯净水，环境温度３１．６℃．

褒ｉ用门形框测量

矗／ｒａｍ５１．７５１．８５１．７５１．８５１．８５１．８

ｆ７／ｒａｍ５６．６５６．８５６．６５６．７５６．８５６．７

代入公式口＝勰口】，即可算得口。一７２．６７ｚ’一Ｚ，ｏ／ｒａｍ４．９５．０４．９４．９５．０４．９

Ｘ１。－３Ｎ?ｍ一

收稿日期：２００９—１ｌ一１０

基金项目：湛江师范学院学生课外学术科技基金资助项目．

作者简介：詹强（１９８８一）．男．江西九江人．湛江师范学院物理科学与技术学院学生．

＊通讯作者．万方数据

第６期詹强等：拉脱法测定液体表面张力系数的实验研究６５

已知测量时温度为３１．６℃，则标准值．

∞＝（７５．７５—０．１Ｓｔ）Ｘ１０一Ｎ／ｍ＝７１．０１×１０—３Ｎ?ｍ一１

故可得：门形框测得值与标准值的相对误差：Ｅ一掣＝Ｌ丝－号ｆ掣一２．３４％口．，１．Ｕ上

１．２圆环框的相关测量及数据处理

实验中。圆环的外径ｄ。为２１．７６２ｍｍ，内径为２０．９５２ｍｍ，弹簧劲度系数ｋ＝１．３４８Ｎ／ｍ，实验液体为纯净水，环境温度３１．６℃．

袭２用圆环框测量

矗／ｒａｍ

Ｚ７／ｍｍ５１．７５１．８５１．８５１．７５１．８５８．９５９．０５９．１５８．９５９．０５９．１

１７～墨／ｍｍ７．２７．２７．３７．２７．２７．３

代入公式口一兰普１１头，即可算得口２—７２．３６×１０－３７【＼ａ１十ａ２，

口ｆＮ?ｍ－１门形框测得值与公认值的相对误差：Ｅ：Ｌ生型一Ｌ丝尝笄≤掣：１．９１％，上?Ｕ上

１．３门形框与圆环的实验对比分析及误差研究

在普通实验室条件下，用圆环框测得液体表面张力系数的值与公认值的相对误差比门形框小，即用圆环框测得结果比门形框准确．主要是由于圆环是个对称图形，各个方向受力对称，从而能比较准确地找出液体膜破裂的临界位置，减小了系统误差；其次，我们用圆环框测量时候，可以有效地避免用门形框测量时门形框两端不一致而造成的误差．

误差分析告诉我们，系统误差主要与薄膜的重量、金属框所受浮力、接触角口、测量方法等方面有关，而采用联合法测量液体表面张力系数就可以很好的解决这一问题【４］．同时在一定程度上还和实验物体的规格有关，如：门形框的横丝长度，侧丝长度，金属丝直径【５］．偶然误差主要和平台引起的液面振动、圆环的净化处理、液体浸润不充分、外界环境变化（如空气流动）等方面有关．为避免由此产生的系统误差，实验前应对实验物体作净化处理，操作时动作要平稳连续，减少振动，但操作不宜过慢［６］．

２几种液体表面张力系数与其浓度关系的实验研究

在对水进行测量以后，我们对不同浓度的蔗糖、盐水、酒精等溶液进行测量，这样可以明显观察到表面张力系数随液体浓度的变化现象，同时还对不同液体表面张力系数的差异进行了初步探究．

２．１不同浓度的蔗糖

用旋光率为＋６６．６０。ｃｍ３／ｄｍ?ｇ的蔗糖和蒸馏水，配制以下不同质量浓度的蔗糖溶液．用上面提及的测量原理，采用圆环框作实验物体测得相应的ａ值，如表３：

表３不同浓度的蔗糖的表面张力系数

利用Ｅｘｃｅｌ作近似拟合，如图１发现蔗糖溶液的表面张力系数与浓度近似成线性关系，即蔗糖溶液的表面张力系数随其浓度增大而增大．万方数据

６６湛江师范学院学报（自然科学）第３０卷浓Ｊ且／ｃ’浓度／ｃ

图１蔗糖溶液的表面张力系数与其浓度的关系图２盐水的表面张力系数与其浓度的关系

２．２不同浓度的盐水

用纯净的氯化钠和蒸馏水，配制以下不同质量浓度的盐水．用同一测量原理，采用圆环框作实验物体测得相应的口值，如表４：

表４不同浓度的盐水的表面张力系数

利用Ｅｘｃｅｌ作近似拟合，如图２发现这种溶液的表面张力系数与浓度近似成线性关系，即盐水的表面张力系数随其浓度增大而增大．

２．３不同浓度的酒精

用酒精（化学纯９９．５％）和蒸馏水，配制以下不同质量浓度的酒精溶液．用同一测量原理，采用圆环框作实验物体测得相应的值口，如表５：

衰５不同浓度的酒精的袭面张力系数

利用Ｅｘｃｅｌ作近似拟合，如图３发现这种溶液的

表面张力系数与浓度近似成对数关系，即酒精溶液的

表面张力系数随其浓度增大而减小［７］．

２．４液体表面张力系数与其浓度关系的初步认识

水的表面张力系数因加人溶质形成溶液而有不同

的改变，这和溶质的化学组成有关．对蔗糖而言，它是

有机化合物，虽然有机化合物一般能降低水的表面张

力，但是蔗糖里面的亲水基羟基强于憎水基碳氢链的浓度／ｃ

作用，使蔗糖分子总体有进入水中的趋势，羟基的主导。

图３酒精的表面张力系数与其浓度的关系

作用使蔗糖溶液的表面张力系数大于水，并随溶液浓

度增大而增大；对盐水而言，明显是因为其离子的亲水性，使盐水的表面张力系数大于水，也随溶液浓度增大而增大．其实大多数无机盐和不挥发性的酸碱的水溶液都有类似性质ｉ但对酒精来说，它是非离子型的有机化合物，里面的憎水基碳氢链强于羟基，故酒精溶液的表面张力系数小于水，且随溶液浓度增大而减小．大多数非离子型的有机化合物如短链脂肪酸、醇、醛类的水溶液都有此行为‘引．

万方数据

第６期詹强等：拉脱法测定液体表面张力系数的实验研究６７３结论

从实验分析来看，使用圆环框测定液体表面张力系数具有的一定的优越性．对蔗糖溶液、盐水、酒精的表面张力系数和浓度关系的研究，使我们从物质结构的角度认识了这种关系，这对交叉学科领域的研究有一定意义．不仅丰富了实验内容，而且加强了学科联系，有助于加深对液体表面张力系数概念的理解和认识；另一方面有助于提高学生的分析能力和创新能力，值得在学生实验中开展．

参考文献：

Ｃ１］岳小萍．医学物理学实验ＥＭ］．郑州：郑州大学出版社．２００６．

Ｆ２３邵建新．用约利秤测液体表面张力系数实验测量公式的研究［Ｊ］．物理与工程．２００５．１５（６）：３４．

［３３李静．厉志明．普通物理实验［Ｍ］．广州：华南理工大学出版社．１９９４．

［４３陈霞。张道清．詹强，等．测定液体表面张力系数实验的创新［Ｊ］．湛江师范学院学报．２００９。３０（增刊）：１７３—１７５．［５］魏杰。刘东红．孙建刚．等．拉脱法测液体表面张力系数的改进［Ｊ］．大学物理．２００４．２３（１２）；４３—４４．

［６］夏思淝．刘东红．孙建刚．等．用力敏传感器测液体表面张力系数的误差分析口］．物理实验。２００３．２３（７）：３９—４１．［７］刘竹琴，冯红侠．几种液体表面张力系数与其浓度关系的实验研究［Ｊ］．延安大学学报。２００８．２７（２）：３５—３６．

［８３傅献彩．沈文霞．姚天扬。等．物理化学?下册［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００６．

ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｆＬｉｑｕｉｄＳｕｒｆａｃｅＴｅｎｓｉｏｎ

ＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｂｙＰｕｌｌ＿－ｏｕｔＭｅｔｈｏｄ

ＺＨＡＮＱｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧＤａｏ—ｑｉｎｇ，ＣＨＥＮＸｉａ

（ｓｃｈｏｏｌｏｆＰｈｙｓｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＺｈａｎｊｉａｎｇＮｏｒｍａｌＣｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈａｎｊｉａｎｇ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ５２４０４８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｃｌａｓｓｉｃａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｆｏｒｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇｔｈｅｓｕｒｆａｃｅ

ｔｏｔｅｎｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｂｙＰｕｌｌ—ｏｕｔｍｅｔｈｏｄ，ｗｅｅｍｐｌｏｙｖａｒｉｏｕｓｌｉｑｕｉｄａｎｄｆｒａｍｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｈａｐｅ

ｃｉｅｎｔｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｇｉｖｅｎｂｙｒｉｎｇｓａｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｔｅｎｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉ—ａｃｃｕｒａｔｅｍｏｒｅｔｈａｎｔｈａｔｇｉｖｅｎｂｙｆｒａｃｔａｌ

ｃｏｎ—ｄｏｏｒ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ。ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｔｅｎｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｕｃｒｏｓｅａｎｄｓａｌｉｎｅｉｎｃｒｅａｓｅｗｉｔｈｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎ

ｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ａｎｄａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙｓｈｏｗｌｉｎｅａｒｒｅｌａｔｉｏｎ．Ｈｏｗｅｖｅｒ。ｔｈｅａｌｃｏｈｏｌｅｘｈｉｂｉｔｓｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃｒｅｌａｔｉｏｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｕｌｌ—ｏｕｔｍｅｔｈｏｄ；ｓｕｒｆａｃｅｔｅｎｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｒｉｎｇ；ｓｏｌｕｔｉｏｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ万方数据

拉脱法测定液体表面张力系数的实验研究

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作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷(期)：

被引用次数：詹强， 张道清， 陈霞湛江师范学院物理科学与技术学院,广东,湛江,524048湛江师范学院学报JOURNAL OF ZHANJIANG NORMAL COLLEGE2009，30(6)0次

参考文献(8条)

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4.陈霞.张道清.詹强 测定液体表面张力系数实验的创新 2009(增刊)

5.魏杰.刘东红.孙建刚 拉脱法测液体表面张力系数的改进 2004(12)

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7.刘竹琴.冯红侠 几种液体表面张力系数与其浓度关系的实验研究 2008(2)

8.傅献彩.沈文霞.姚天扬 物理化学 2006

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