文档介绍：表面张力系数的测定
(本文内容选自高等教育出版社《大学物理实验》)
为什么少量水银在干净的玻璃板上会收缩成球冠状,而水则会扩展开来?为什么朝霞里青草上会洒满晶莹的露珠?其原因在于液体和固体界面附近分子的相互作用。表面张力描述了液体表层附近分子力的宏观表现,在船舶制造、水利学、化学化工、凝聚态物理中都能找到它的应用。
测量液体(例如水)的表面张力系数有多种方法,如最大泡压法、平板法(亦称拉普拉斯法)、毛细管法、焦利氏秤法、扭力天平法等。这里只介绍焦利氏秤法。在本实验中要着重学****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。
实验原理
当液体和固体接触时,若固体和液体分子间的吸引力大于液体分子间的吸引力,液体就会沿固体表面扩展,这种现象叫润湿。若固体和液体分子间的吸引力小于液体分子间的吸引力,液体就不会在固体表面扩展,叫不润湿。润湿与否取决于液体、固体的性质,如纯水能完全润湿干净的玻璃,但不能润湿石蜡;水银不能润湿玻璃,却能润湿干净的铜、铁等。润湿性质与液体中杂质的含量、温度以及固体表面的清洁度密切相关,实验中要予以特别注意。
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。
-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’。
实验内容
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,-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