薛葉斌，孫長(zhǎng)平，路寶鳳，崔寶鳳

(臨沂大學(xué)　a.理學(xué)院；b.實(shí)驗(yàn)中心，山東省 臨沂市　276005)

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測(cè)量液體表面張力系數(shù)的新方法

薛葉斌1，孫長(zhǎng)平1，路寶鳳2，崔寶鳳2

(臨沂大學(xué)a.理學(xué)院；b.實(shí)驗(yàn)中心，山東省 臨沂市276005)

摘要基于拉脫法測(cè)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(cè)量水的表面張力系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用該文裝置測(cè)量的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值符合得很好，與傳統(tǒng)的拉脫法相比，測(cè)量精度有了很大的提高。該方法具有實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)闇y(cè)量液體表面張力系數(shù)提供一種新的途徑。

關(guān)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(gè)重要參數(shù)，測(cè)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(xì)管上升法等[1-8]，其中傳統(tǒng)的拉脫法具有實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，目前很多高校實(shí)驗(yàn)室主要采用拉脫法來測(cè)量液體表面，但是拉脫法的缺點(diǎn)在于人為干預(yù)多、測(cè)量誤差大、測(cè)試結(jié)果重復(fù)性不好等?；谝陨显?，我們基于拉脫法，采用排水法和杠桿原理設(shè)計(jì)了一種測(cè)量液體表面張力的新裝置，該裝置具有有實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)闇y(cè)量液體表面張力系數(shù)提供一種新的途徑。

1實(shí)驗(yàn)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(shè)想在液面上作長(zhǎng)為L(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)為L(zhǎng)的細(xì)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?jī)?nèi)液面緩慢降低，當(dāng)鐵絲剛要接觸水膜時(shí)，電子天平示數(shù)開始緩慢變小，此時(shí)記錄其初始值n1，當(dāng)金屬絲將要脫離液面，即拉起的水膜剛好要破裂時(shí)，此時(shí)電子天平示數(shù)達(dá)到最小，記錄此時(shí)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)中g(shù)=9.8 m/s2。

圖1　試驗(yàn)裝置示意圖

2實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)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(guān)，本實(shí)驗(yàn)在室溫28 ℃的蒸餾水中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)器材有電子天平、鐵架臺(tái)、杠桿、小鎖、燒杯、排水玻璃瓶、溫度計(jì)、鑷子、細(xì)鐵絲、游標(biāo)卡尺和米尺，其中為了實(shí)驗(yàn)方便我們利用小鎖代替砝碼，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2　試驗(yàn)裝置實(shí)物圖

表1　純水的表面張力系數(shù)測(cè)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(zhǎng)度，液體表面張力F1也相應(yīng)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(duì)測(cè)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(cè)量，故我們采用間接的方法去測(cè)量，通過測(cè)量鐵絲剛要接觸水膜時(shí)電子天平示數(shù)值n1和拉起的水膜剛好要破裂時(shí)電子天平數(shù)值n2差值，由式(2)和式(3)計(jì)算得到F1。由式(1)可知，L值越大F1就越大，在實(shí)驗(yàn)中就越易測(cè)量，測(cè)量的精度就越高，本實(shí)驗(yàn)中由于受限于實(shí)驗(yàn)中排水玻璃瓶的瓶身直徑，因此我們選擇4.5 cm長(zhǎng)的金屬絲，如果選擇更大瓶身直徑的排水玻璃瓶，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將會(huì)更精確。

3結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)基于拉脫法測(cè)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(cè)量液體表面張力系數(shù)。通過改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量了水溫為28 ℃的純水的表面張力系數(shù)，測(cè)量結(jié)果與水的表面張力系數(shù)表準(zhǔn)值符合得很好，與傳統(tǒng)的拉脫法相比，測(cè)量的精度有很大的提高，由于該方法具有實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確等優(yōu)點(diǎn)，因此是一種精度很高的測(cè)量液體表面張力系數(shù)的可靠方法。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]沈元華，陸申龍.基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)[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(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)[J].大學(xué)物理，2011，30(9):38-40.

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

[4]代偉，方小兵，陳中鈞，等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：科學(xué)出版社，2010:106-108.

[5]伊鑫，樸淵，柳青，等．拉脫法測(cè)量純水表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)的研究[J].大學(xué)物理，2008，27(2):60-63．

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

[7]孔維姝，趙維，唐延，等．拉脫法測(cè)量液體表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2012(1):36-38．

[8]于軍勝，唐季安．表(界)面張力測(cè)定方法的進(jìn)展[J].化學(xué)通報(bào)，1997，60(11):11-15．

收稿日期:2016-01-11

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(11247208)；臨沂大學(xué)博士啟動(dòng)基金(LYDX2013BS057，LYDX2013BS018)；臨沂大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃(201410452100)。

作者簡(jiǎn)介：薛葉斌(1992-)，男，本科生，物理學(xué)專業(yè)。

中圖分類號(hào)O4-33

文獻(xiàn)標(biāo)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