液体表面张力系数的测量

【实验目的】

（1）用砝码对力敏传感器进行定标，计算该传感器的灵敏度。

（2）掌握用拉脱法测量液体表面张力系数的方法。

（3）学会双变量数据处理方法。

【实验原理】

凡作用于液体表面，使液体表面积缩小的力，称为液体表面张力。它产生的原因是液体跟气体接触的表面存在一个薄层，叫作表面层，表面层里的分子比液体内部稀疏，分子间的距离比液体内部大一些，分子间的相互作用表现为引力。就像你要把弹簧拉开些，弹簧反而表现出具有收缩的趋势；也像有无数张手紧紧握在一起似的。正是因为这种张力的存在，有些小昆虫才能无拘无束地在水面上行走自如（见图3-18）。

图3-18　表面张力的作用

设想在液面上作一长为L的线段，则因张力的作用使线段两边的液面以一定的拉力f相互作用，且力的方向恒与线段垂直，大小与线段长度L成正比，即

表面张力原理如图3-19所示。

图3-19　表面张力原理

实验证明，表面张力系数α的大小与液体的种类、纯度、温度和液面上方的气体成分有关，温度越高，液体中所含杂质越多，则表面张力系数越小。

1.实验方法

将一个金属环固定在传感器上，然后将该环浸没在液体中，并渐渐拉起环，当它从液面脱离瞬间传感器受到的拉力f为

所以液体表面张力系数为

表面张力示意如图3-20所示，其测量与公式推导如下。

图3-20　表面张力示意图

液膜被拉断前，有

拉断前瞬间θ=0，cosθ=1；此时F=mg+f ；数字电压表的示数显示为U1，则

液膜被拉断后，有

此时，电压表显示U2，则

液膜拉断前后拉力变化为

因为有

因此，有

2.力敏传感器测量压力的原理

硅压阻力敏传感器由弹簧梁和贴在梁上的传感器芯片组成，其中芯片由4个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥。当外界压力作用于金属梁时，电桥失去平衡，产生输出信号，输出电压与所加外力呈线性关系，即

【实验仪器】

DH4607型液体表面张力系数测定仪、硅力敏传感器、0.000 5 kg砝码（6个）、镊子、砝码盘、圆形吊环、玻璃皿。

图3-21所示为液体表面张力测定装置。

图3-21　液体表面张力测定装置

【实验内容】

1.硅力敏传感器的定标

（1）接通电源，将仪器预热15 min。

（2）在传感器横梁端的小钩上挂上砝码盘，调节调零旋钮（电子组合仪上的补偿电压旋钮），使数字电压表示数为零（注意：调零后此旋钮不能再动）。

（3）在砝码盘中分别加入等质量mi（每个砝码0.000 5 kg）的砝码，记录对应质量下的电压表读书Ui，填入表3-17中。

（4）用作图法作直线拟合，求出传感器灵敏度K。

2.测量液体表面张力系数

（1）用游标卡尺测量金属圆环的外径d1和内径d2。

（2）环的表面状况与测量结果有很大的关系，实验前应将金属环状吊片在NaOH溶液中浸泡20～30 s，然后用净水洗净。

（3）将金属环吊片挂在传感器的小钩上，调节升降台将液体升至靠近金属环下沿，观察金属环下沿与待测液面是否平行。如果不平行，将金属环取下，调节环片上的细丝，使之与液面平行（偏差增加1°，测量误差将增加0.5%）。

（4）调节玻璃皿下的升降台，使环片下沿全部浸入待测液体中，然后反向匀速下降升降台，使金属环片与液面间形成一个环状液膜。继续下降液面，观察电压表读数，测量出液膜拉断前瞬间和拉断后电压值U1、U2，并记录在表3-19中。

（5）重复测量U1、U2各6次。

（6）将数据代入液体表面张力系数公式，求出待测液体在某温度下的表面张力系数，并对结果做出评价。

3.整理仪器

做完实验后，要将所有仪器整理完好。

【注意事项】

（1）实验时不能超载，加减砝码时要轻拿轻放，以免损坏传感器。

（2）每一条接线都要接好接牢；否则会产生较大的误差。

【原始数据记录表】

各原始数据记录表见表3-17至表3-19。

表3-17　硅压阻力敏传感器定标

表3-18　吊环片内、外径测量数据

表3-19　纯水的表面张力系数测量

【数据处理】

（1）将数据代入液体表面张力系数公式，求出待测液体在某温度下的表面张力系数。

（2）与理论值进行比较，并对结果做出评价。

【思考题】

（1）为什么力敏传感器需要定标？

（2）硅力敏传感器是怎样工作的？