測量液體表面張力系數(shù)的新方法

薛葉斌，孫長平，路寶鳳，崔寶鳳

(臨沂大學　a.理學院；b.實驗中心，山東省 臨沂市　276005)

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測量液體表面張力系數(shù)的新方法

薛葉斌1，孫長平1，路寶鳳2，崔寶鳳2

(臨沂大學a.理學院；b.實驗中心，山東省 臨沂市276005)

摘要基于拉脫法測量液體表面張力系數(shù)的原理，采用排水法和杠桿原理來測量水的表面張力系數(shù)，實驗結(jié)果表明，使用該文裝置測量的結(jié)果與標準值符合得很好，與傳統(tǒng)的拉脫法相比，測量精度有了很大的提高。該方法具有實驗儀器簡單、可操作性強、實驗結(jié)果精確等優(yōu)點，能夠為測量液體表面張力系數(shù)提供一種新的途徑。

關鍵詞液體表面張力；杠桿原理；排水法

液體的表面張力系數(shù)是表征液體性質(zhì)的一個重要參數(shù)，測定液體表面張力的方法很多，如拉脫法、懸滴法、最大氣泡壓力法、旋轉(zhuǎn)液滴法、等密度法和毛細管上升法等[1-8]，其中傳統(tǒng)的拉脫法具有實驗儀器簡單、操作簡單的特點，目前很多高校實驗室主要采用拉脫法來測量液體表面，但是拉脫法的缺點在于人為干預多、測量誤差大、測試結(jié)果重復性不好等?；谝陨显颍覀兓诶摲?，采用排水法和杠桿原理設計了一種測量液體表面張力的新裝置，該裝置具有有實驗儀器簡單、可操作性強、實驗結(jié)果精確等優(yōu)點，能夠為測量液體表面張力系數(shù)提供一種新的途徑。

1實驗原理

液體表面層內(nèi)分子相互作用的結(jié)果使得液體表面自然收縮，猶如緊張的彈性薄膜，液面收縮而產(chǎn)生的沿著切線方向的力稱為表面張力。設想在液面上作長為L的線段，線段兩側(cè)液面便有張力F1相互作用，其方向與L垂直，大小與線段長度L成正比。即有：

F1=KL

(1)

比例系數(shù)稱為液體表面張力系數(shù)，其單位為N/m。

用一根表面潔凈的長為L的細金屬絲浸入水中，將杠桿調(diào)節(jié)至平衡，如圖1所示，旋開排水瓶的閥門，使水緩慢流下，排水瓶內(nèi)液面緩慢降低，當鐵絲剛要接觸水膜時，電子天平示數(shù)開始緩慢變小，此時記錄其初始值n1，當金屬絲將要脫離液面，即拉起的水膜剛好要破裂時，此時電子天平示數(shù)達到最小，記錄此時電子天平示數(shù)為n2，根據(jù)杠桿原理可得：

F1L1=F2L2

(2)

式中，L1、L2分別為圖1中杠桿左、右兩臂長度，F(xiàn)1為液體表面張力，F(xiàn)2為電子天平上物體前后兩次的重力之差，即：

F2=(n1-n2)g

(3)

由式(1)～式(3)推得液體表面張力系數(shù)為：

K=(n1-n2)gL2/L1L

(4)

式中，g為物體重力加速度，本實驗中g=9.8 m/s2。

圖1　試驗裝置示意圖

2實驗操作和實驗結(jié)果

由于液體表面張力系數(shù)與液體種類、純度、溫度和液面上方的氣體成分有關，本實驗在室溫28 ℃的蒸餾水中進行，實驗器材有電子天平、鐵架臺、杠桿、小鎖、燒杯、排水玻璃瓶、溫度計、鑷子、細鐵絲、游標卡尺和米尺，其中為了實驗方便我們利用小鎖代替砝碼，實驗裝置如圖2所示。

圖2　試驗裝置實物圖

表1　純水的表面張力系數(shù)測量(水溫28 ℃)

注：28 ℃純水的表面張力系數(shù)71.5×10-3N/m

由式(1)可知，由于同一條件下液體表面張力系數(shù)K為常數(shù)，改變參數(shù)金屬絲長度，液體表面張力F1也相應地改變，但它們的比值等于K不改變，因此在理論上參數(shù)L對測量的液體表面張力系數(shù)沒有影響。由于F1的數(shù)值非常小，很難直接測量，故我們采用間接的方法去測量，通過測量鐵絲剛要接觸水膜時電子天平示數(shù)值n1和拉起的水膜剛好要破裂時電子天平數(shù)值n2差值，由式(2)和式(3)計算得到F1。由式(1)可知，L值越大F1就越大，在實驗中就越易測量，測量的精度就越高，本實驗中由于受限于實驗中排水玻璃瓶的瓶身直徑，因此我們選擇4.5 cm長的金屬絲，如果選擇更大瓶身直徑的排水玻璃瓶，實驗結(jié)果將會更精確。

3結(jié)束語

本實驗基于拉脫法測量液體表面張力系數(shù)的原理，采用電子天平結(jié)合排水法和杠桿原理來測量液體表面張力系數(shù)。通過改進的實驗裝置測量了水溫為28 ℃的純水的表面張力系數(shù)，測量結(jié)果與水的表面張力系數(shù)表準值符合得很好，與傳統(tǒng)的拉脫法相比，測量的精度有很大的提高，由于該方法具有實驗儀器簡單，可操作性強，實驗結(jié)果精確等優(yōu)點，因此是一種精度很高的測量液體表面張力系數(shù)的可靠方法。

參 考 文 獻

[1]沈元華，陸申龍.基礎物理實驗[M].北京：高等教育出版社，2003:116-119.

[2]代偉，徐平川，陳太紅，等.液體表面張力系數(shù)實驗裝置的改進[J].大學物理，2011，30(9):38-40.

[3]陳愛霞，劉麗明.拉脫法測量液體表面張力系數(shù)的不足與改進[J].九江學院學報，2014，104(4):52-54.

[4]代偉，方小兵，陳中鈞，等.大學物理實驗[M].北京：科學出版社，2010:106-108.

[5]伊鑫，樸淵，柳青，等．拉脫法測量純水表面張力系數(shù)實驗的研究[J].大學物理，2008，27(2):60-63．

[6]安郁寬．毛細管探針法測定液體的表面張力系數(shù)[J].大學物理，2010，29(10):37-40．

[7]孔維姝，趙維，唐延，等．拉脫法測量液體表面張力系數(shù)實驗的改進[J].物理實驗，2012(1):36-38．

[8]于軍勝，唐季安．表(界)面張力測定方法的進展[J].化學通報，1997，60(11):11-15．

收稿日期:2016-01-11

基金項目：國家自然科學基金(11247208)；臨沂大學博士啟動基金(LYDX2013BS057，LYDX2013BS018)；臨沂大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃(201410452100)。

作者簡介：薛葉斌(1992-)，男，本科生，物理學專業(yè)。

中圖分類號O4-33

文獻標志碼A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.055

New Method of Measuring the Liquid Surface Tension

XUE Yebin1，SUN Changping1，LU Baofeng2，CUI Baofeng2

(a.School of Science ;b.Experimental Center，Linyi University，Linyi 276005，China)

AbstractThis experiment method is based on the principle of measuring liquid surface tension coefficient using the pull-out method.We measured the water surface tension coefficient by firstly using drainage method and lever principle electronic balance.The experiment results show that the experiment results measured using our experimental device are well agreement with the standard result.Compared with the traditional drainage method，measuring precision is improved largely.Our method has the advantages of simple experimental apparatus，strong operability and accurate experimental results and so on，which can be provide a new way to measure liquid surface tension coefficient.

Key wordsliquid surface tension;lever principle;drainage method