毛細(xì)管法測(cè)定液體表面張力系數(shù)的研究實(shí)驗(yàn)方案

1、普通物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)題目：毛細(xì)管法測(cè)定液體表面張力系數(shù)班 級(jí)： 物理學(xué) 2011級(jí)（2）班 學(xué) 號(hào)： 2011433200 姓 名： 梁 勇 指導(dǎo)教師： X X X 凱里學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 2013年5月毛細(xì)管法測(cè)定液體表面張力系數(shù)的研究序言在日常生活中, 我們對(duì)見到的一些現(xiàn)象可能已經(jīng)習(xí)以為常, 認(rèn)為它們理應(yīng)如此, 但是為什么會(huì)這樣, 就沒有過多地去想了。比如, 下過雨后, 我們可以見到樹葉、草上的小水珠都接近于球形；不小心打碎了體溫計(jì)后, 里面的水銀掉到地上, 小水銀滴也呈球形等；這些現(xiàn)象都與表面張力有關(guān)。那么什么是液體的表面張力呢？原來液體與氣體相接觸時(shí), 會(huì)形成一個(gè)表面層,

2、 在這個(gè)表面層內(nèi)存在著的相互吸引力就是表面張力, 它能使液面自動(dòng)收縮。表面張力是由液體分子間很大的內(nèi)聚力引起的。處于液體表面層中的分子比液體內(nèi)部稀疏, 所以它們受到指向液體內(nèi)部的力的作用, 使得液體表面層猶如張緊的橡皮膜, 有收縮趨勢(shì), 從而使液體盡可能地縮小它的表面積。我們知道, 球形是一定體積下具有最小的表面積的幾何形體。因此, 在表面張力的作用下, 液滴總是力圖保持球形, 這就是我們常見的樹葉上的水滴接近球形的原因。這種液體表面的張力作用，從性質(zhì)上看，類似固體內(nèi)部的拉伸脅強(qiáng)，只不過這種脅強(qiáng)存在于極薄的表面層內(nèi)，而且不是由于彈性形變引起的，任何液體表面都受到表面張力的作用。 表面張力的方向

3、與液面相切, 并與液面的任何兩部分分界線垂直,如果液面是水平的，則表面張力也是水平的；如果液面是曲面的，則表面張力沿著跟液面相切的方向； 表面張力就表現(xiàn)為直線兩旁的液面以一定的拉力相互作用，拉力存在于表面層，方向恒與直線垂直，大小與直線的長(zhǎng)度x成正比，即： F=ax比例系數(shù)a稱為液體的表面張力系數(shù)，表示單位長(zhǎng)度的直線兩旁液面之間的表面張力，單位是N/m.把幾根內(nèi)徑不同的細(xì)玻璃管插入水中,可以看到,管內(nèi)的水面比容器里的水面高，管子的內(nèi)徑越小,里面的水面越高. 浸潤(rùn)液體在細(xì)管里升高的現(xiàn)象和不浸潤(rùn)液體在細(xì)管里降低的現(xiàn)象,叫做毛細(xì)現(xiàn)象。能夠產(chǎn)生明顯毛細(xì)現(xiàn)象的管叫做毛細(xì)管。毛細(xì)現(xiàn)象是液體表面張力的一種表

4、現(xiàn)形式。我們已經(jīng)做過用拉脫法測(cè)量液體表面張力系數(shù)的實(shí)驗(yàn)，拉脫法是一種較直觀，概念清楚的測(cè)量方法。以下我們來討論用另一種測(cè)量液體的表面張力系數(shù)的方法毛細(xì)管法。毛細(xì)管升高法是一種間接測(cè)量方法，它適用于所有液體(水銀除外)，現(xiàn)在我們就來研究用這種方法測(cè)量液體的表面張力系數(shù)。一、實(shí)驗(yàn)原理液體的表面有如張緊的彈性薄膜,都有收縮的趨勢(shì),所以液滴總是趨于球形，肥皂薄膜如果從中心將膜刺破，由于膜的收縮，線被拉成圓形。這說明液體表面有如緊張的彈性薄膜，在表面存在一種張力。這就是我們上面所介紹的表面張力，在這里就不做過多的解釋?，F(xiàn)將毛細(xì)管插入水中，由于浸潤(rùn)的緣故，水面沿管壁上升。又由于表面張力存在使液面收縮，結(jié)果

5、管內(nèi)液體達(dá)到一個(gè)新的平衡位置，如圖3所示，液面呈凹彎月面。管中液柱受力平衡的條件為式中為液柱上端大氣壓強(qiáng),為液柱下端液體向上的托力。因?yàn)橐褐露伺c管外水面等高，其壓力即為大氣壓力，故，為液柱的重力等于，是表面張力產(chǎn)生的，為接觸角。對(duì)純凈水和潔凈玻璃間=0，故，綜合上面結(jié)果上式變?yōu)椋荷鲜街械氖菑墓軆?nèi)液柱上端凹面的最低點(diǎn)到管外液面之間的高度，而在此高度以上凹面周圍還有少量液體。當(dāng)=0時(shí)，凹面為半球狀，凹面周圍液體的體積等于半徑為，高為的液柱體積與半徑為的半球體積之差。這就相當(dāng)于管中高的液柱體積，因此上式中的值應(yīng)增加的修正值，于是表面張力系數(shù)變?yōu)橛纱?，只要精確測(cè)出毛細(xì)管的內(nèi)徑和液柱高度，并查處室溫下

6、液體的密度，即可求出表面張力系數(shù)。 圖3.實(shí)驗(yàn)原理示意圖液體表面張力與溫度的關(guān)系為了進(jìn)一步探討影響液體表面張力系數(shù)的主要因素,通過微觀分析,從熱力學(xué)的角度討論了液體表面張力系數(shù)與溫度的關(guān)系,并通過試驗(yàn)進(jìn)行了論證,得出了水及常用表面活性物質(zhì)肥皂水的表面張力系數(shù)隨著溫度的增加是遞減的,并和溫度呈近似線性關(guān)系。表1 不同溫度下與空氣接觸水的表面張力系數(shù)t/10-3N·m-1t/10-3N·m-105101112131415161718192075.6474.9274.2274.0773.9373.7873.6473.4973.3473.1973.0572.9072.7521222

7、32425262728293035404572.5972.4472.2872.1371.9771.8271.6671.5071.3571.1870.3869.5668.74二、實(shí)驗(yàn)儀器 毛細(xì)管，刻度尺，游標(biāo)卡尺，燒杯，溫度計(jì)，支架，蒸餾水，洗滌液。三、實(shí)驗(yàn)步驟1、待水柱上升穩(wěn)定后，測(cè)量毛細(xì)管中液柱的高度（1）、將毛細(xì)管和燒杯用洗滌液(酒精)清洗干凈；（2）將管內(nèi)的空氣排完.（3）將燒杯注入蒸餾水放在鐵架臺(tái)上.（4）將毛細(xì)管插入燒杯中,上端用夾子夾住,使其與水面垂直,用刻度尺測(cè)出液體上升的高度。重復(fù)測(cè)量8次,求的平均值及不確定度.2、用游標(biāo)卡尺測(cè)毛細(xì)管內(nèi)徑將毛細(xì)管從水中取出，甩掉其中的水珠，用游

8、標(biāo)卡尺測(cè)量毛細(xì)管內(nèi)徑至少8次，求的平均值及不確定度；圖5.毛細(xì)管內(nèi)徑的測(cè)量3、測(cè)水溫t用溫度計(jì)測(cè)出水的溫度t，由表2查出該溫度下的水的密度；表2 不同溫度下水的密度t()t()0999.8430995.64510999.69931995.33915999.09932995.02420998.20333994.721997.99134994.36922997.76940992.21223997.53750988.0324997.29560983.19125997.04370977.75926996.78280971.78527996.51190965.30428996.231100958.34529995.9434、計(jì)算水的表面張力系數(shù)。5、由表1查處的標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算測(cè)量準(zhǔn)確度。四、參考文獻(xiàn)1普通物理學(xué)教程：力學(xué)（第二版） 作者:漆安慎，杜嬋英 著 高等教育出版社2熱力學(xué)·統(tǒng)計(jì)物理（第四版） 汪志誠(chéng) 高等教育出版社3普通物理實(shí)驗(yàn)1 力學(xué)、熱學(xué)部分