液体表面现象的研究

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1、实验名称液体表面现象的研究一、前言表面张力是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的，沿表面作用于任一界线上的张力。表面张力的存在使液体具有尽量缩小其表面的趋势，好像液体表面是一张拉紧了的橡皮膜一样。对液体表面张力系数的测定，可以为分析液体表面的分子分布及结构提供帮助，可以解释物质处于液态时所特有的许多现象，比如泡沫的形成、湿润和毛细现象等。在工业生产和科学研究中常常要涉及到液体特有的性质和现象。比如工业上的矿物的浮选技术，化工生产中液体的传输过程、药物制备过程及生物工程研究领域中关于动、植物体内液体的运动与平衡等问题，都要对表

2、面张力进行研究。因此，了解液体表面性质和现象，掌握测定液体表面张力系数的方法具有重要的实际意义。测定液体表面张力的方法有很多，常用的方法有拉脱法、毛细管升高法、最大气泡压力法等。本实验采用拉脱法测定水的表面张力系数。二、教学目标1、掌握焦利秤测量微小力的原理和方法。2、了解液体表面的性质，测定液体的表面张力系数。三、教学重点1、了解焦利氏秤测微小力的原理、结构和方法。四、教学难点1、用拉脱法测量室温下液体的表面张力系数。五、实验原理液体表面层（其厚度等于分子的作用半径，约）内的分子所处的环境跟液体内部的分子是不同的。在液体内

3、部，每个分子四周都被同类的其他分子所包围，它所受到的周围分子的作用力的合力为零。由于液体上方的气相层的分子数很少，表面层内每一个分子受到的向上的引力比向下的引力小，合力不为零，这个合力垂直于液面并指向液体内部，如图1所示，所以分子有从液面挤入液体内部的倾向，并使液体表面自然收缩，直到处于动态平衡，即在同一时间内脱离液面挤入液体内部的分子数和因热运动图1液体表面层和内部分子受力示意图而到达液面的分子数相等时为止。拉脱法测定液体表面张力系数是基于液体与固体接触时的表面现象提出的。由分子运动论可知，当液体分子和与其接触的固体分子之

4、间的吸引力大于液体分子的内聚力时，就会产生液体浸润固体的现象。现将一表面洁净Π型金属丝框竖直地浸入水中，使其底边保持水平，由于水能浸润金属，当轻轻提起金属丝时，在Π型金属丝框内就形成如图2所示的双面水膜。水膜的两个表面沿着切线方向有作用力f，称为表面张力，为接触角，当缓缓拉出金属丝框时，接触角逐渐减小而趋向于零。这时表面张力f垂直向下，其大小与金属丝框水平段的长度l成正比，故有（1）FWld液面fff图2液体表面张力受力分析式中，比例系数称为表面张力系数，它在数值上等于单位长度上的表面张力。在国际单位制中，的单位为。表面张力

5、系数与液体的性质、纯度、温度和它上方的气体成分有关。当液面与其蒸汽相接触时，表面张力仅与液体性质及温度有关。实验表明，密度小，易挥发液体值小；温度越高，值越小；所含杂质越多，值也越小。因此，在测定值时，必须注明是在什么温度下测定的，并且要十分注意被测液体的纯度，测量工具（金属丝框、盛液器皿等）应洁净。在金属丝框缓慢拉出水面的过程中，金属丝框下面将带起一水膜，当水膜刚被拉断时，诸力的平衡条件是：（2）式中，F为弹簧向上的拉力，W为水膜被拉断时金属丝框的重力和所受浮力之差，为Π型丝的长度，为Π型丝的直径，即水膜的厚度，为水膜被拉

6、断时的高度，为水的密度，为重力加速度，为水膜的重量，由于金属丝直径很小，所以这项值不大。由于水膜有前后两面，所以上式中的表面张力为2Tl。由（2）式解得：（3）实验中先测出焦利秤的倔强系数，然后用焦利秤测出和公式（3）中相对应的弹簧伸长量，则有：（4）一、实验仪器焦利秤，Π型金属丝框，砝码，玻璃杯，游标卡尺。1、焦利秤简介焦利秤的构造如图3所示，它实际上是一种用于测微小力的精细弹簧秤。一根金属套管A垂直竖立在三角底座上，调节底座上的螺丝，可使金属套管A处于垂直状态。带有毫米标尺的圆柱B套在金属套管内。在金属套管A的上端固定有

7、游标C，圆柱B顶端伸出的支臂上挂一锥形弹簧D。转动旋钮E可使圆柱B上下移动，因而也就调节了弹簧D的升降。弹簧上升或下降的距离由主尺（圆柱B）和游标C来确定。A立柱、B毫米标尺、C游标、D弹簧E立柱升降旋钮、F砝码盘、G玻璃圆筒H平台、M平面反射镜、S平台升降旋钮图3焦利秤G为固定在金属套管A上一侧刻有刻线的玻璃圆筒，M为挂在弹簧D下端的两头带钩的小平面镜，镜面上有一刻线。实验时，使玻璃圆筒G上的刻线、小平面镜上的刻线、G上的刻线在小平面镜中的象，三者始终重合，简称“三线对齐”。用这种方法可保证弹簧下端的位置是固定的，弹簧的伸

8、长量可由主尺和游标定出来（即伸长前后两次读数之差值），一般的弹簧秤都是弹簧秤上端固定，在下端加负载后向下伸长，而焦利秤与之相反，它是控制弹簧下端的位置保持一定，加负载后向上拉动弹簧确定伸长值。H为一平台，转动其下端的螺钉S时平台H可升降但不转动。F为秤盘。一般弹簧秤都是上端固定，在下端加负