實(shí)驗(yàn)6 毛細(xì)管法測(cè)定液體表面張力系數(shù)(73-75)2400.doc

實(shí)驗(yàn)十五 用用毛細(xì)管法測(cè)量液體的表面張力系數(shù) - 75 -實(shí)驗(yàn)六 用毛細(xì)管法測(cè)量液體表面張力系數(shù)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 學(xué)習(xí)用毛細(xì)管法測(cè)量液體表面張力系數(shù)；2 掌握測(cè)高儀、讀數(shù)顯微鏡的使用方法?！緦?shí)驗(yàn)儀器】測(cè)高儀，讀數(shù)顯微鏡，游標(biāo)卡尺，毛細(xì)管，燒杯，溫度計(jì)，蒸餾水, 洗滌液等?！緦?shí)驗(yàn)原理】當(dāng)液體和固體接觸時(shí)，若固體和液體分子之間的吸引力大于液體分子間的吸引力，液體就會(huì)沿固體表面擴(kuò)張，形成薄膜附著在固體上，這種現(xiàn)象稱為浸潤(rùn)。反之，若固體和液體分子間的吸引力小于液體分子間的吸引力，則液體不會(huì)在固體表面擴(kuò)張，這種現(xiàn)象稱為不浸潤(rùn)。在液體和固體接觸時(shí)，液體表面的切線與固體表面的切線在液體內(nèi)部所成的角度稱為接觸角，如圖15-1。角為銳時(shí)，屬于浸潤(rùn)情況；時(shí)，稱為完全浸濕；為鈍角時(shí)，屬于不浸潤(rùn)情況；時(shí)，稱為完全不浸潤(rùn)。浸潤(rùn)與否取決于液體、固體的性質(zhì)。如純水能完全浸潤(rùn)結(jié)晶的玻璃，但不能浸潤(rùn)石蠟。水銀不能浸潤(rùn)玻璃，但能浸潤(rùn)干凈的銅、鐵等。圖15-1如果將一潔凈的毛細(xì)管(即內(nèi)徑很小而且各處均勻的玻璃管)垂直插入無限廣延的水中，由于浸潤(rùn)的緣故，水就沿著管內(nèi)圓柱壁上升。但是，由于存在著表面張力，表面會(huì)收縮。兩者綜合作用的結(jié)果，水面最后就平衡在一定位置，形成一個(gè)凹面，稱彎月面。若完全浸潤(rùn)，凹面上周沿恰與管壁相切，水面可近似地看成半徑為r(即毛細(xì)管內(nèi)半徑)的半球面，如圖15-2。設(shè)平衡時(shí)水柱高度為，管內(nèi)水柱在鉛直方向受到四個(gè)外力的作用：液柱上端的大氣對(duì)它施加的向下的壓力；液柱下端的液體對(duì)它施加的向上的壓力；沿管壁的表面張力，方向向上；液柱自身的重力W。液柱下端與管外水面等高，其壓強(qiáng)也為大氣壓強(qiáng)，故，可見管內(nèi)水柱的平衡條件為； （15-1）所以，水的表面張力系數(shù) 圖15-2 （15-2）式中為水的密度，為重力加速度。測(cè)量時(shí)是以管中凹面最低點(diǎn)(A點(diǎn))到管外平液面(如C點(diǎn))的高度為，而在此高度以上凹面周圍還有少量的水。因?yàn)榭梢詫⒚?xì)管中的凹面看成半球面，所以凹面周圍的水的體積等于 （15-3）即，等于管中高為的水柱的體積。因此，上述討論中的值，應(yīng)增加的修正值。于是式（15-2）成為 （15-4）在此，我們假定毛細(xì)管外的水面是無限廣延的。但實(shí)際上毛細(xì)管總在個(gè)盛水的器皿中，由于器皿中水的表面張力的影響，可等 效地認(rèn)為下端面還受到一個(gè)方向向下而數(shù)值較小的附加力。如外半徑為的毛細(xì)管插在一個(gè)內(nèi)半徑為圓心器皿的中心軸處，則 （15-5）因而實(shí)測(cè)到的值就比理想的情況稍小一些，這樣式(15-4)可修正為 （15-6）【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】 1用鑷子取出浸在重鉻酸洗液中的毛細(xì)管，相繼用自來水和蒸餾水將它徹底沖洗，再利用一支吸管把毛細(xì)管內(nèi)的水泡逐出(否則會(huì)嚴(yán)重影響的測(cè)量準(zhǔn)確度)。然后將潔凈并附有針尖的彎鉤形玻璃棒和毛細(xì)管夾在一起，并垂直插在盛有蒸餾水的燒杯中心處，而燒杯置于升降臺(tái)上。裝置如圖15-3）所示。上下移動(dòng)燒杯數(shù)次(但保持管下端浸沒于水中)，使毛細(xì)管壁充分浸潤(rùn)。觀察毛細(xì)管內(nèi)水柱面的位置，如果毛細(xì)管很潔凈，則各次的水面應(yīng)保持在相同的高度。調(diào)節(jié)升降臺(tái)螺旋，從水面下方觀察針尖及水面所成的針尖的像，在針尖及其像剛剛相接時(shí)，表示針尖正在水面處。設(shè)置針尖的目的，是因?yàn)闇y(cè)量時(shí)，直接測(cè)量外液面的位置不易測(cè)準(zhǔn)，如上安置針尖后，測(cè)量出針尖到毛細(xì)管中凹面的高度差，即所求的值。 2用測(cè)高儀測(cè)量毛細(xì)管中水柱高度 在毛細(xì)管前方約多處安置測(cè)高儀，使其望遠(yuǎn)鏡中叉絲橫線在水平方向。將測(cè)高儀調(diào)整好(此系本實(shí)驗(yàn)要求之一)后，通過望遠(yuǎn)鏡觀察，使毛細(xì)管中水面及針尖位置部落在測(cè)高儀的可測(cè)范圍內(nèi)。 圖15-3首先測(cè)量毛細(xì)管的彎月面的位動(dòng)：調(diào)節(jié)測(cè)高儀的望遠(yuǎn)鏡位置，使叉絲橫線與彎月面相切，記下讀數(shù)，保持毛細(xì)管不動(dòng)而向上提一下燒杯后再置于升降臺(tái)上，調(diào)節(jié)升降臺(tái)螺旋，使針尖處于水面處，再測(cè)一次彎月面的位置。如此重復(fù)測(cè)量五次，求得的平均值。然后測(cè)量燒杯中水面的位置：慢慢移開燒杯，向下平移望遠(yuǎn)鏡，使叉絲橫線正好與針尖相接，記下讀數(shù)。顯然毛細(xì)管中水柱高度。3用水銀溫度計(jì)測(cè)量水的溫度。4用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量毛細(xì)管直徑。將顯微鏡筒轉(zhuǎn)到水平方向，毛細(xì)管也轉(zhuǎn)到水平方向并使二者軸線一致。用顯微鏡對(duì)準(zhǔn)毛細(xì)管管口，在聚焦之后，使顯微鏡叉絲豎線與管口一邊相切，記下其位置。施轉(zhuǎn)鼓輪，使豎線與管口另一邊相切，得到讀數(shù),顯然毛細(xì)管直徑。然后，將毛細(xì)管繞管軸施轉(zhuǎn)一角度，再測(cè)一次內(nèi)徑。如止轉(zhuǎn)動(dòng)3至4次重復(fù)測(cè)量。將毛細(xì)管管口另端對(duì)準(zhǔn)顯微鏡，進(jìn)行同樣的測(cè)量。最后求出毛細(xì)管直徑的平均值。測(cè)量時(shí)注意防止回程誤差。 5用游標(biāo)尺測(cè)量毛細(xì)管外徑和燒杯內(nèi)徑，多次測(cè)量求平均值。6計(jì)算在溫度時(shí)水的表面張力系數(shù)及其不確定度。計(jì)算不確定度時(shí)，可不考慮修正因子，仍用（15-2）式。實(shí)驗(yàn)時(shí)要特別注意清潔，不能用手摸水、毛細(xì)管下半部和燒杯內(nèi)側(cè)；實(shí)驗(yàn)后應(yīng)將毛細(xì)管浸在洗滌液中。【思考題】 1假如毛細(xì)管在水面以上的長(zhǎng)度小于水在毛細(xì)管中可能上升的高度，水是否將源源不斷地從毛細(xì)管上端流出? 2能否用毛細(xì)管法測(cè)量水銀的表面張力系數(shù)? 3將毛細(xì)管法和拉托法測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行比較。【附錄】洗滌液的配置和使用洗滌液是清洗玻璃用具很有