液體表面張力系數的測定

實驗目的：

1. 用砝碼對硅壓阻力敏傳感器進行定標，計算該傳感器的靈敏度，學習傳感器的定標方法；

2. 學習液體表面張力系數測定儀的使用方法；

3. 用拉脫法測定室溫下水的表面張力系數。

實驗儀器：

1. 硅壓阻力敏傳感器：

1). 受力量程：0—0.098N；

2). 靈敏度：約3.00(用砝碼質量做單位定標)。

2. 顯示儀器：讀書顯示：200mV，三位半數字電壓表。

3.力敏傳感器固定支架、升降臺、底板及水平調節裝置。

4. 吊環：外徑，高0.850cm的鋁合金環。

5. 砝碼盤及0.5克砝碼7只。

實驗原理：

表面張力是指作用于液體表面上任意直線的兩側，垂直于該直線且平行于液面、并使液面具有收縮傾向的一種力。從微觀上看，表面張力是由于液體表面層內分子力作用的結果。可以用表面張力系數來定量地描述液體表面張力的大小，設想在液面上作長為L的線段，在L的兩側，表面張力以拉力的形式相互作用著，拉力的方向垂直于該線段，拉力的大小正比于L，即,式中表示作用于線段單位長度上的表面張力，稱為表面張力系數，其單位為。

液體表面張力的大小與液體的成分有關。不同的液體由于它們有不同的摩爾體積、分子極性和分子間作用力而具有不同的表面張力。實驗表明：溫度對液體表面張力影響極大，表面張力隨溫度升高而減小，二者通常相當準確地成直線關系。表面張力與液體中含有的雜質有關，有的雜質能使表面張力系數減小，有的卻使之增大。表面張力還與液面外的物質有關。

將表面清潔的鋁合金吊環掛在測力計上并垂直浸入液體中，使液面下降，當吊環地面與液面平齊或略高時，由于液體表面張力的作用，吊環的內外壁會帶起液膜。平衡時吊環重力為G，向上拉力F以及液體表面張力（忽略帶起的液膜的質量）滿足

在吊環臨界脫離液體時，，即，則平衡條件近似為：

式中為吊環外徑，為吊環內徑。則液體表面張力系數為：

實驗中需要測出。

本實驗利用力敏傳感器測力，硅壓阻式力敏傳感器由彈性梁和帖在梁上的傳感器芯片組成，其中芯片由四個硅擴散電阻集成一個非平衡電橋。當外界壓力作用于金屬梁時，在 壓力作用下，電橋失去平衡，此時將有電壓信號輸出，輸出電壓大小與所加外力成正比。即

式中，F為外力大小，B為硅壓阻式力敏傳感器的靈敏度，U為傳感器輸出電壓的大小。

首先，進行硅壓阻力敏傳感器定標，然后，求得傳感器靈敏度B（單位為），再測出吊環在即將拉脫液面時（）電壓表讀數，記錄拉脫后（）數字電壓表的讀數，則有：

所以有：

故表面張力系數：

實驗步驟：

1. 開機預熱15分鐘。

2. 對力敏傳感器進行定標。

將砝碼盤掛在力敏傳感器的掛鉤上，對儀器調零。然后將7個質量均為0.5g的砝碼片依次放入吊盤中（注意：輕拿輕放，吊盤晃動將帶來電壓表的數字跳動），分別記下電壓表的讀數。

3. 測定水的表面張力系數。

（1）在玻璃器皿內放入一定量的純凈水，并把玻璃器皿安放在升降臺上（玻璃器皿底部可用雙面膠與升降臺面貼緊固定）；將鋁合金吊環掛在傳感器的小掛鉤上，調節升降臺，將液體升至靠近環片的下沿，調節吊環使之與待測液面平行。（注意：吊環中心、玻璃器皿中心最好與轉軸重合。）

（2） 調節容器下的升降臺，使其緩慢上升，將吊環的下沿部分全部浸沒于待測液體。然后反向調節升降臺，使液面緩緩下降。這時，金屬環片和液面間形成一環形液膜，繼續下降液面，測出環形液膜即將拉斷前一瞬間數字電壓表讀數值和液膜拉斷后數字電壓表讀數值。

實驗數據記錄與數據處理：

（一）數據記錄

1. 硅壓阻力敏傳感器定標

表1 力敏傳感器定標                        單位：g, mV

2.水的表面張力系數的測量

（二）數據處理：

1. 用最小二乘法擬合得儀器的靈敏度B，其單位為。

2. 由計算水的表面張力系數；查閱水與空氣表面張力系數與溫度的關系表（見附表），得到水的張力系數的標準值，然后計算相對誤差：。

問題回答：

1. 測量值時，為什么必須在液膜破裂時記錄數據？

2. 如果金屬環不清潔會給測量結果帶來什么影響？所測值偏大還是偏小？為什么？

注意事項：

1. 吊環必須清洗干凈，并用熱吹風烘干。

2. 吊環水平必須調節好，注意偏差，測量結果引入誤差為；偏差，則誤差為。

3. 儀器需預熱15分鐘。

4. 在旋轉升降臺時，盡量使液體的波動要小。

5. 工作室不宜風力較大，以免吊環擺動致使零點波動，所測系數不正確。

6. 若液體為純凈水，在使用過程中防止灰塵和油污及其它雜質污染。特別注意手指不要接觸被測液體。

7. 力敏傳感器使用時用力不宜大于0.098N。過大的拉力會使傳感器容易損壞。

8. 實驗結束后須將吊環用清潔紙擦干，用清潔紙包好，放入干燥缸內。

附表：       水與空氣的表面張力系數與溫度的關系    （，）

T標準值的尾數求法：在5之內用線性內插法求出，即5之內近似看作均勻變化。其余見書所述。