1、 實驗十一 用焦利秤測量液體的表面張力系數 - 71 -實驗五 用焦利氏秤測定液體的表面張力系數【實驗目的】1學習使用焦利秤，測量純水和其它液體的表面張力系數；2觀察拉脫法測液體表面張力的物理過程和物理現象,并用物理學基本概念和定律進行分析和研究,加深對物理規律的認識。【實驗儀器】焦利秤，金屬框及鋼絲，砝碼，游標卡尺，溫度計，蒸發皿，酒精燈，蒸餾水等。【實驗原理】液體表面層內的分子，由于受到不對稱分子力的作用，力圖進入液體內部，使液體自由表面猶如一張拉緊的彈性薄膜，都有收縮的趨勢，因此液體表面內存在張力，稱為表面張力。假設在液面上任畫一條長為的線段，則張力就表現為線段兩側液膜之間相互作用的拉力

2、，力的方向與所畫的線段垂直，其大小與線段長成正比，即： （11-1）式(11-1)中,稱為液體的表面張力系數，表示單位長度直線兩側液面之間的拉力，其單位在SI制中為，在CGS制中為。表面張力系數與溫度有關，溫度升高，減小。實驗證明與溫度的關系近似地為線性關系，即 （11-2）式(11-2)中,和分別為0和時的表面張力系數，為表面張力系數的溫度系數。如果在金屬框中間拉一條細金屬絲，如圖11-1所示，將框和細絲浸入待測液體中，然后再慢慢拉出液面，則金屬細絲帶出層液膜。設液膜將被拉斷時向上的拉力為，膜寬(即金屬絲的長度)為，膜高為，膜厚(即金屬絲直徑)為。被拉起的液膜有兩個表面，再考慮到這部分液體的

3、重量之后，有 （11-3）式(11-3)中,是金屬框和金屬絲所受的重力和浮力差，為液體密度，為重力加速度。不難看出，為表面張力，為液膜的重量。由式(11-3)可得 圖11-1 （11-4）【儀器介紹】焦利秤如圖11-2所示，是彈簧秤的一種。它的主要部分包括圓筒立柱和套在中的毫米刻度圓柱。在圓柱上端固定游標，上掛彈簧，轉動旋鈕可以升降和，在的下端掛有中間有刻度線的小鏡，小鏡穿過中間也有刻度線的玻璃管。小鏡的下端可懸掛砝碼盤或金屬框。調節底座旋鈕可使垂直于水平面。為載物平臺，旋轉螺旋，可使平臺升降而不產生轉動。普通彈簧秤的彈簧是上端固定，加負載后下端伸長，讀下端伸長后的位置。焦利秤則相反，它控制彈

4、簧下端的位置保持不變，即保持玻璃管上的刻線、該線在小鏡中的像及的刻線三線對齊，加負載后，旋轉使上升，進行從游標上讀出彈簧的伸長值。的精度為。設小鏡下僅掛有砝碼盤，旋轉使上述三線重合，游標上讀數為，則彈簧的伸長量為，根據胡克定律得 （11-5）式(11-5)中,為彈簧的倔強系數，單位為。焦利秤常附有幾支值不同的彈簧，有塔形的，也有柱形的。為了避免彈簧由于鉛直懸掛因自重引起的彈性力與其總伸長值不成正比(即為了確保彈簧的線性關系)，實驗時選用塔形彈簧，并根據所測力的最大值及測量精確度的要求而選用倔強系數恰當的彈簧。【實驗內容】1測量彈簧的倔強系數如圖11-2所示，將選定的彈簧掛在焦利秤上，調節支架的

5、底座旋鈕，使柱鉛直，使彈簧下的小鏡豎直穿過玻璃管的中心，這時彈簧將與柱平行。在砝碼盤上加1.00g砝碼，轉動，使玻璃管上刻線、刻線的像及小鏡的刻線三線重合(以后稱調三線重合為調的零點)，用游標讀出標尺值。再加0.50g砝碼放在砝碼盤中，調的零點，用游標讀出標尺值；以后按0.50g逐次增加砝碼到砝碼盤中， 圖11-2直到3.50g,逐次調的零點，用游標讀出標尺相應值。然后，按0.50g逐次減少砝碼值到仍剩1.00g,讀出對應的值。將砝碼盤中砝碼數相同時測得的值平均。求得、。最后用逐差法求得彈簧的倔強系數值。2測量（）值用酒精燈把金屬框燒下，去掉油污，再用蒸餾水清洗后，掛在小鏡的掛鉤上。在清洗干凈

6、的蒸發皿中盛適量的蒸餾水后置于平臺上。將金屬框及細絲浸于水中，調的零點。一只手慢慢調節，使彈簧向上伸長，另一只手慢慢轉動，使蒸發皿下降，如圖11-3(a)，在這過程中要求始終停在零點處不動，直至水膜剛好被破裂為止，如圖11-3(b)用游標讀出標尺值。用吸水紙吸去金屬框及金屬絲上的水珠，轉動（不動），使金屬框緩緩下降，直到回到零點，如圖11-3（c）,用游標讀出，顯然本過程要求反復測量五次。1 測量值將焦利秤的彈簧取下，更換根不發生形變的金屬桿，旋轉，使為零，讀 () (b) (c)出標尺。旋轉，使液面 圖11-3剛好與金屬框上細絲接觸，再旋轉，使上升，直至水膜剛好被破壞為止，讀出標尺值，則本過程也要重復測量五次。4用游標卡尺測量金屬絲的長度及直徑、測量水的溫度。5計算水的表面張力系數及其不確定度。6用公式(11-4)計算實驗溫度下水的表面張力系數并與實測值進行比較。對于水應當注意的是水的表面若有少許污染，其表面張力系數將有明顯變化，因此，玻璃皿、金屬框清洗干凈后，在實驗過程中不許用手觸摸玻璃皿的內側和金屬框，也不要用手觸及水面；拉起液膜后，操作要非常謹慎，不要觸動實驗桌，避免彈簧形成明顯的顫動。【思考題】1為使你測出的表面張力系數能有三位有效數字，對所用彈簧的倔強系數應如何要求？2如果用焦利秤分別測F和W，實驗應該如何進行？3. 為何用摸過頭發的手觸