【实验目的】
1.了解水的表面性质,用拉脱法测定室温下水的表面张力系数。
2.学会使用焦利氏秤测量微小力的原理和方法。
【实验仪器】
焦利秤,砝码,烧杯,温度计,镊子,水,游标卡尺等。
【实验原理】液体表面层内分子相互作用的结果使得液体表面自然收缩,犹如紧张的弹性薄膜。由于液面收缩而产生的沿着切线方向的力称为表面张力。设想在液面上作长为L的线段,线段两侧液面便有张力f 相互作用,其方向与L垂直,大小与线段长度L成正比。即有:
f =L (1)
比例系数称为液体表面张力系数,其单位为Nm-1。
将一表面洁净的长为L、宽为d 的矩形金属片(或金属丝)竖直浸入水中,然后慢慢提起一张水膜,当金属片将要脱离液面,即拉起的水膜刚好要破裂时,则有
F = mg+f (2)
式中F为把金属片拉出液面时所用的力;mg为金属片和带起的水膜的总重量;f 为表面张力。此时,f 与接触面的周围边界2(L+ d ),代入(2)式中可得
(3)
本实验用金属圆环代替金属片,则有
(4)
式中d1、d2 分别为圆环的内外直径。
实验表明,与液体种类、纯度、温度和液面上方的气体成分有关,液体温度越高,值越小,液体含杂质越多,值越小,只要上述条件保持一定,则是一个常数,所以测量时要记下当时的温度和所用液体的种类及纯度。
【实验步骤】1.安装好仪器,挂好弹簧,调节仪器至符合实验要求。调整小游标的高度使小游标左侧的基准线大致对准指针,锁紧固定小游标的锁紧螺钉,三线对齐后,读出游标0线对应刻度的数值L0。
2. 测量弹簧的倔强系数K。依次增加1.0g砝码,即将质量为1.0g,2.0g,3.0g,…9.0g的砝码加在下盘内。三线对齐后分别读出每次示数L1、L2、…L9;再逐次减少1.0g砝码,同样的,分别记下游标0线所指示的读数 、 、 … ,取二者平均值,用逐差法求出弹簧的倔强系数。即
(5)
(6)
(7)
3.测(F-mg)值。将洁净的金属圆环挂在弹簧下端的小钩子上,调整小游标的高度使三线对齐,记下此时游标0线指示读数S0。将金属片浸入水中,转动平台旋钮使平台缓缓下降,金属圆环刚好脱出液面为时,记下此时游标0线所指示的读数S,算出ΔS=S-S0的值,即为在表面张力作用下,弹簧的伸长量,重复测量五次,求出平均值求出平均值,此时有
(8)
式中K为(8)式中所示弹簧的倔强系数,将(8)代入(4)式中可得
(9)
4.用卡尺测出d1、d2 值,将数据代入(9)式中即可算出水的值。再记录室温,可查出此温度下蒸馏水的标准值,并做比较。
实验时应注意以下几点:
(1)由于杂质和油污可使水的表面张力显著减小,所以务必使蒸馏水、烧杯、金属片保持洁净。实验前要对装蒸馏水的烧杯、金属圆环进行清洁处理,依次用NaOH溶液→酒精→蒸馏水将以上用具清洗干净,烘干后备用。
(2)清洁后的用具,切勿用手触摸,应有镊子取出或存放。
(3)测量S时要避免水膜提前破裂,否则实验误差较大,其中引起水膜提前破裂的因素有:桌面的震动,空气的流动,金属圆环底部不水平等。
【数据处理】
1.用逐差法计算弹簧的倔强系数(实验温度:180C)
砝码数 | 增重读数(mm) | 减重读数(mm) | 平均数(mm) | (mm) |
0 | 249.16 | 249,16 | 249.16 | 15.05 |
1 | 252.16 | 252.18 | 252.17 | 14.96 |
2 | 255.20 | 255.24 | 255.22 | 15.03 |
3 | 258.12 | 258.14 | 258.13 | 15.12 |
4 | 261.18 | 261.14 | 261.16 | 15.15 |
5 | 264.22 | 264.20 | 264.21 |
|
6 | 267.18 | 267.08 | 267.13 | |
7 | 270.28 | 270.22 | 270.25 | |
8 | 273.26 | 273.24 | 273.25 | |
9 | 276.30 | 276.32 | 276.31 | |
3.27×10³
mm
2.计算液体表面张力
次数 | 初始位置S0(mm) | 水膜破裂时读数Si(mm) | ΔS=Si-S0(mm) | (mm) |
1 | 230.20 | 235.20 | 5.00 | 4.96 |
2 | 230.28 | 235.28 | 5.00 | |
3 | 230.26 | 235.20 | 4.94 | |
4 | 230.20 | 235.10 | 4.90 | |
5 | 230.24 | 235.18 | 4.94 | |
0.024
0.02mm
=0.03
3. 金属环外、内直径的测量(本实验直接给学生结果)
平均值(mm) | |
d1 | 34.92 |
d2 | 33.12 |
=75.88
3.计算表面张力系数及不确定度
0.46
4. 表面张力系数的理论值:
【误差分析】
1. 金属圆环不水平,仪器底座不水平
2. 仪器未调零,表面张力系数测定仪不稳定
3. 拉脱过程不匀速,拉脱速度过快
4. 圆环底部没有浸没到水中,圆环不稳定(晃动) 5. 圆环直径测量不准确
【思考题】
1. 用焦利称测量微小力的依据是什么?
答:如果我们在砝码托盘上加X克砝码,弹簧伸长了某一长度,细金属杆上镜中的标线即向下移动,此时三线不再重合.转动旋钮使管向上移动,因而细金属杆也随之向上移动.当三线又重合时,在管及管的游标上可读出第二个读数,该读数与第一个读数这差就是弹簧在增加X克重量时所伸长的长度。
2.金属圆环浸入水中,然后轻轻提起到底面与水面相平时,试分析金属圆环在竖直方向的受力。
答:竖直向下的重力,液体表面张力沿竖直方向向下的分力,弹簧拉力
3. 分析(2)式成立的条件,实验中应如何保证这些条件实现?
答:(2)式在欲脱离水膜而又恰未脱离的极限状态时成立,应该保证金属圆环水平拉出水面
4. 本实验中为何安排测(F—mg),而不是分别测F和mg?
答:因为直接测F比较麻烦,而且F改变得较小,可能需要力传感器,实现起来不方便也不简单。
5. 本实验影响测量的主要因素有哪些?这些因素使偏大还是偏小?
答:实验表明,与液体种类、纯度、温度和液面上方的气体成分有关,液体温度越高,值越小,液体含杂质越多,值越小,只要上述条件保持一定,则是一个常数,
附实验原始数据:
本文来源:https://www.2haoxitong.net/k/doc/eaead2130242a8956aece4b7.html
文档为doc格式