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1、拉脱法测定液体的表面张力系数 实验目的实验目的 实验原理实验原理 实验内容实验内容 注意事项注意事项 思思 考考 题题 仪器简介仪器简介1.学习焦利秤测量微小力的原理和方法。学习焦利秤测量微小力的原理和方法。2.了了解解液液体体表表面面的的性性质质，测测定定液液体体的的表表面面张张力力系系数。数。【实验目的】焦焦利利秤秤实实际际上上是是一一种种用用于于测测微微小小力力的的精精细细弹弹簧簧秤秤。结结构构如如右右图图，金金属属管管B垂垂直直竖竖立立在在三三角角底底座座上上，带带有有毫毫米米标标尺尺的的圆圆柱柱A套套在在金金属属套套管管内内。在在金金属属管管B的的上上端端固固定定有有副副尺尺H，圆圆
2、柱柱A顶顶端端伸伸出出的的支支臂臂上上挂挂一一锥锥形形弹弹簧簧S。转转动动旋旋钮钮G可可使使圆圆柱柱A上上下下移移动动，因因而而也也就就调调节节了了弹弹簧簧S的的升升降降。弹弹簧簧上上升升或或下下降降的的距距离离由由主主尺尺（圆柱（圆柱A）和副尺）和副尺H来确定。来确定。【仪器简介】D为为固固定定在在金金属属支支架架上上一一侧侧刻刻有有半半圆圆形形刻刻线线S2的的玻玻璃璃圆圆筒筒，C为为挂挂在在弹弹簧簧S下下端端的的两两头头带带钩钩的的小小平平面面镜镜，镜镜面面上上有有一一刻刻线线S1。实实验验时时，使使S1、S2及及S2在在小小平平面面镜镜中中的的象象S2三三者者始始终终重重合合，简简称称“
3、三三线线对对齐齐”。用用这这种种方方法法可可保保证证弹弹簧簧下下端端的的位位置置是是固固定定的的，加加负负载载后后向向上上拉拉动动弹弹簧簧确确定定伸伸长长值值。根根据据伸伸长长值值和和弹弹簧簧倔倔强强系系数数确确定定外外力力大大小小。E为为平平台台，转转动动其其下下端端的的螺螺钉钉F时时平平台台E可可升升降。降。【实验原理】钢钢针针、硬硬币币等等物物能能漂漂在在洁洁净净的的水水表表面面，清清晨晨小小草草叶叶上上的的露露水水通通常常收收缩缩成成小小球球形形状状。这这些些现现象象提提示示，液液体体表表面面（液液气气交交界界面面）好好比比一一层层紧紧绷绷的的薄薄膜膜，有有自自然然收收缩缩趋趋势势，从
4、从而而导导致致表表面面张张力力现现象象。用用分分子子论论观观点点看看，液液体体表表面面层层(约约10-8cm)分分子子所所处处的的环环境境跟跟液液体体内内部部的的分分子子不不同同。在在液液体体内内部部，分分子子比比较较密密集集，且且受受周周围围分分子子的的作作用用力力的的矢矢量量和和为为零零而而处处于于液液体体表表面面层层的的分分子子，一一方方面面有有被被吸吸引引入入液液体体内内部部的的趋趋势势，另另一一方方面面因因为为处处于于一一边边是是液液态态（水水）一一边边是是气气态态（空空气气）的的环环境境，表表面面层层内内分分子子比比较较稀稀疏疏而而微微观观相相互吸引，宏观上就呈现出表面张力现象。互
5、吸引，宏观上就呈现出表面张力现象。1.表面张力 在在液液体体与与固固体体接接触触处处，若若固固体体和和液液体体分分子子间间的的吸吸引引力力大大于于液液体体分分子子间间的的吸吸引引力力，液液体体就就会会沿沿固固体体表表面面扩扩张张，形形成成薄薄膜膜附附着着在在固固体体上上，这这就就是是浸浸润润；反反之之，若若固固体体和和液液体体分分子子间间的的吸吸引引力力小小于于液液体体分分子子间间的的吸吸引引力力，液液体体就就不不会会沿沿固固体体表表面面扩扩张张，不不附附着着在固体上，这种现象称为不浸润。在固体上，这种现象称为不浸润。2.浸润与不浸润现象3.表面张力系数 想想象象在在液液面面上上划划一一条条直
6、直线线，表表面面张张力力就就表表现现为为直直线线两两旁旁的的液液膜膜以以一一定定的的拉拉力力相相互互作作用用。拉拉力力f 存存在在于于表表面面层层，方方向向恒恒与与直直线线垂垂直直，大大小小与与直直线线的的长长度度L 成成正比，即正比，即f f L L式式中中称称为为表表面面张张力力系系数数，它它等等于于沿沿液液面面作作用用在在分分界界线线单单位位长长度度上上的的表表面面张张力力,其其单单位位为为Nm-1。它它的的大大小小与与液液体体的的成成分分、纯度、浓度以及温度有关。纯度、浓度以及温度有关。如如图图所所示示：将将一一表表面面洁洁净净的的型型细细金金属属丝丝框框浸浸入入被被测测液液体体内内，
7、然然后后缓缓缓缓拉拉起起金金属属丝丝框框，可可看看到到金金属属丝丝带带起起一一层层液液膜膜，与与此此同同时时弹弹簧簧被被拉拉长长。液液膜膜拉拉起起过过程程中中接接触触角角逐逐渐渐减减小小而而趋趋向向于于零零，当当薄薄膜膜刚刚好好破破裂裂时时，表表面面张张力力的的方方向垂直向下。向垂直向下。设设形框长为形框长为l、直径为、直径为d，脱离液体前各力平衡的条件为，脱离液体前各力平衡的条件为式中式中F是将是将形框拉出液面所施外力；形框拉出液面所施外力；mg为为形框和它所沾附的液形框和它所沾附的液体的总重量。由于表面张力与接触面的周长体的总重量。由于表面张力与接触面的周长2(l+d)成正比，故有成正比，
8、故有式中比例系数式中比例系数为表面张力系数。为表面张力系数。在液膜破裂瞬间弹簧所受的力在液膜破裂瞬间弹簧所受的力在液膜破裂瞬间弹簧所受的力在液膜破裂瞬间弹簧所受的力，(3)(3)(2)(2)所以所以所以所以(1)(1)要测要测要测要测，只要测出，只要测出，只要测出，只要测出 k、l、d、L即可即可。f=F-mg=kL(4)(4)1.测量弹簧的倔强系数k：挂挂好好弹弹簧簧、小小镜镜子子及及砝砝码码盘盘，调调节节“三三线线对对齐齐”。记录游标零线所指示的主尺上的读数。记录游标零线所指示的主尺上的读数。依依次次在在砝砝码码盘盘中中加加入入1.0g的的砝砝码码，共共5个个，每每次次“三三线线对对齐齐”
9、，记记下下标标尺尺上上相相应应读读数数(加加6g的的读读数数仅仅供供参参考考)，然然后后再再逐逐次次取取出出1.0g的的砝砝码码，记记下下标标尺尺上上相相应应的的读读数数。求求出出相相同同拉拉力力下下读读数数的的平均值。平均值。【实验内容】数据记录表1 测定弹簧劲度系数 k序号序号砝码重量砝码重量 （g）增重增重Si(10-3kg)减重减重Si(10-3kg)平均平均(10-3kg)SS+3-S (10-3m)10.0021.0032.0043.0054.00.65.00k=f/S 2.测量L 把把型型框框挂挂在在平平面面镜镜下下端端的的挂挂钩钩上上。烧烧杯杯盛盛适适当当的的水水，放放在在平平
10、台台上上。调调节节型型框框缓缓慢慢下下降降，使使型型框框的的横横边边恰恰好好处处于于液液面面位位置置，“三三线线对对齐齐”，记记下下标标尺尺读读数数s0。然然后后一一只只手手慢慢慢慢调调节节平平台台下下的的螺螺丝丝使使烧烧杯杯慢慢慢慢下下降降，另另一一只只手手慢慢慢慢调调节节手手轮轮，弹弹簧簧被被拉拉长长，在在这这一一过过程程中中要要求求保保持持“三三线线对对齐齐”，直直至至水水膜膜恰恰好好破破裂裂为为止止。记记下下标标尺尺上上的的刻刻度度si，L=si s0，反复测量五次。，反复测量五次。【实验内容】数据记录表2 测定液体表面张力系数金属丝框宽度 L=；实验温度 t=液体液体次次数数金金属属
11、丝丝框框未未浸浸入入液液体时焦利氏秤读数体时焦利氏秤读数S0/m金金属属丝丝框框刚刚好好脱脱离离液液面面时时焦焦利利氏氏秤读数秤读数 Si/m 差值差值S-S0/m表表面面张张力力系系数数=k S/2L/Nm-1表表面面张张力力系系数平均值数平均值/Nm-1水水12345 3.测量l:把把型框取下，用游标卡尺测量其长度，反复型框取下，用游标卡尺测量其长度，反复测五次。测五次。4.测量d:把把型型框框取取下下，用用螺螺旋旋测测微微器器测测量量其其细细丝直径，反复测五次。丝直径，反复测五次。【实验内容】5、数据处理数据处理(1)(1)逐差法计算逐差法计算 、，并计算，并计算 ;(2)2)逐差法计算
12、逐差法计算 ,并计算并计算 ;(3)(3)计算计算 、，并计算并计算 、；(4)(4)计算计算 及及 ，并将结果表示成，并将结果表示成 N12345678910 xix1x2x3x4x5x6x7x8x9x10 使用条件：等间隔、线性变化的测量数据。使用条件：等间隔、线性变化的测量数据。优优点点是是：充充分分利利用用各各个个测测量量数数据据，减减小小测测量量误误差差和和扩扩大大测测量范围。量范围。例例如如:声声速速的的测测定定实实验验中中，用用行行波波法法测测量量声声波波波波长长的的以以下下一一列数据：列数据：逐差法简介如果直接计算每一个波峰的距离，然后平均，有：如果直接计算每一个波峰的距离，然
13、后平均，有：可可以以看看出出只只有有始始末末两两次次测测量量值值起起了了作作用用，等等效效于于只只测测x1和和x10。为了充分利用测量数据，减小测量误差，应采用逐差法：为了充分利用测量数据，减小测量误差，应采用逐差法：（1 1）将测量列按次序分为高低两组将测量列按次序分为高低两组 ;（2 2）取对应项的差值后再求平均：）取对应项的差值后再求平均：其中其中 为为5 5个峰值间的距离，即个峰值间的距离，即:1.测测量量表表面面张张力力时时，动动作作要要慢慢，还还要要防防止止仪仪器器受振动。受振动。2.实实验验时时要要注注意意保保护护弹弹簧簧使使其其不不受受折折损损，不不要要随意拉长或挂重物，要轻拿
14、轻放，切忌用力拉。随意拉长或挂重物，要轻拿轻放，切忌用力拉。3.型型金金属属丝丝框框和和烧烧杯杯中中的的水水必必须须保保持持洁洁净净，不不要要用用手手触触摸摸烧烧杯杯内内侧侧和和型型金金属属丝丝，也也不不要要用手触及水面。用手触及水面。【注意事项】1.什什么么是是“三三线线对对齐齐”？本本实实验验中中测测量量表表面面张张力力时时缓缓慢慢地地将将型型金金属属丝丝框框从从水水中中拉拉起起，该该过过程程中中需需要要时时刻刻保保证证“三线对齐三线对齐”，应如何操作？，应如何操作？2.实实验验中中要要求求把把型型金金属属丝丝框框拉拉到到欲欲脱脱离离水水膜膜而而又又恰恰未未脱脱离的极限状态，这是为什么？离的极限状态，这是为什么？3.若若实实验验过过程程中中型型金金属属丝丝框框不不是是水水平平拉拉出出水水面面，而而是是出出现现一一端端高高一一端端低低的的倾倾斜斜现现象象，对对实实验验结结果果有有无无影影响响？应应如何避免？如何避免？4.试试用用作作图图法法得得出出焦焦利利弹弹簧簧秤秤的的劲劲度度系系数数，将将结结果果与与逐逐差差法的结果进行比较。法的结果进行比较。【思考题】