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物理实验论文

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液体表面张力系数与液体浓度的关系

【摘要】液体表面张力系数是表征表面张力大小的重要物理量，用拉脱法测定表面张力系数，找出不同杂质的浓度变化是如何影响液体表面张力系数的。
【关键词】表面张力系数;杂质;浓度;实验；
表面张力是液体表面的重要特性，它类似于固体内部的拉伸应力，这种应力存在于极薄的表面层内，是液体表面层内分子力作用的结果。液体表面层的分子有从液面挤入液内的趋势，从而使液体有尽量缩小其表面的趋势，整个液面如同一张拉紧了的弹性薄膜，我们把这种沿着液体表面，使液面收缩的力称为表面张力。作用于液面单位长度上的表面张力，称为液体的表面张力系数，测定液体表面张力系数的方法有：拉脱法、毛细管法、最大气泡压力法等。本实验采用拉脱法测定表面张力系数。
实验目的：
1、了解液体表面性质。
2、熟悉用拉脱法测定表面张力系数的方法。
3、探究液体表面张力于不同液体浓度的关系。
4、熟悉使用力敏传感器。
实验仪器：
力敏传感器，被测液体，游标卡尺，圆形金属环，烧杯，砝码及托盘等
实验原理：
1、面张力的由来
假设液体表面附近分子的密度和内部一样，它们的间距大体上在势能曲线的最低点，即相互处在平衡的位置上。由图（1）可以看出，分子间的距离从平衡位置拉开时，分子间的吸引力先加大后减小，在这儿只涉及到吸引力加大的一段，
用势能的概念来说明，就是它处在图（3）左边的势阱中，需要有大小为的激活能才能越过势垒，跑到表面去。然而表面某个分子要想挤向内部，它只需排开分子和克服两侧分子的吸引力即可，后面没有分子拉它。所以它所处的势阱（图（3）中右边的那个）较浅，只要较小的激活能就可越过势垒，潜入液体内部。这样一来，由于表面分子向内扩散比内部分子向表面扩散来得容易，表面分子会变得稀疏了，其后果是它们之间的距离从平衡位置稍为拉开了一些，于是相互之间产生的吸引力加大了，这就是图(3)右边所示的情况。此时分子需克服分子对它的吸引力比刚才大，从而它的势阱也变深了，直到变得和一样时，内外扩散达到平衡。所以在平衡状态下液体表面层内的分子略为稀疏，分子间距比平衡位置稍大，在它们之间存在切向的吸引力。这便是表面张力的由来。
在刚才的讨论中未考虑液面外是否有气体。如果有，则分子背后有气体的分子拉它，这显然会使上述差距减小，从而减小表面张力。事实也确实如此。如果液面外只是它的饱和蒸气，当温度逐步上升到临界点时，饱和蒸气的密度增到与液态的密度相等，液面两侧的不对称性消失，表面张力也就消失了。

2、实验设计
我们设想在液面上作一长为的线段，则表面张力的作用就表现在线段两边的液体以一定的力相互作用，且作用力的方向与垂直，其大小与线段的长度成正比。即，式中为液体的表面张力系数，即作用于液面单位长度上的表面张力。
采用拉脱法测定液体的表面张力系数是直接测定法，通常采用物体的弹性形变来量度力的大小。

若将一个圆形细金属丝环浸入被测液体内，然后再慢慢地将它向上拉出液面，可看到金属环带出一层液膜，如图（4）所示。设金属环的直径为，拉起液膜将破裂时的拉力为，膜的高度为，膜的宽度为，因为拉出的液膜有前后两个表面，而且其中间有一层厚度近似为的被测液体，且这部分液体有自身的重量，故它所受到的重力为（由于金属丝的直径很小，所以这一项很小，一般忽略不计），所受表面张力为，故有或变形为
（1）
式中，为被测液体的密度，为当地重力加速度，为金属框所受重力与浮力之差。
实验步骤
力敏传感器定标
a接通电源
b挂上砝码盘，待稳定后，调节力敏传感器，使之示数为零。
c增加砝码个数，记录数据，根据数据以及公式，算出K值。
2．测量蒸馏水的表面张力系数
（1）将烧杯先后用苛性钠和蒸馏水洗涤，然后注入蒸馏水，置于载物平台H上。
（2）用游标卡尺测量金属圆环的内外径D1、D2各三次，将测量数据填入表1，计算其平均值。
（3）用镊子夹着金属片，在酒精灯的火焰上烧红去污。待冷却后挂在秤盘的底钩上，注意要使金属片的底边与杯中液面平行。
（4）调整载物平台H，使矩形金属片的底边慢慢浸入水中少许，同时转动升降旋钮D使三线重合。
（5）慢慢转动螺旋N，使平台H下降，同时慢慢地调节升降旋钮D，始终保持三线重合，直至矩形金属片所带出的液膜断裂为止。不动D，记录此时电压表的示数u，填入表2。
（6）在没有液膜的情况下，重新调节升降旋钮D使三线重合，然后记录电压表的示数，填入表2。
（7）重复步骤（4）、（5）、（6）两次。
（8）根据式，算出各次
（9）将平均值、、D1、D2代入公式（*），求出值。
（10）进行误差计算。
[数据记录与处理]
表1金属圆环内径D1外径D2
D1/m0.03310D2/m0.03496
表2求力敏传感器的k值
m/g0.5001.0001.5002.0002.