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物理仿真实验

物理仿真实验报告

——液体表面张力系数的测定

实验简介:

液体表层指液体与气体、液体与固体以及不相混合的液体之间的界面。液体表层分子有从

液面挤入液体内部的倾向,这使得液体的表面自然收缩,就整个液面来说,如同拉紧的弹性薄膜,

这种沿着表面,使液面收缩的力称为表面张力。表面张力在船舶制造、水利学、化学化工、凝聚

态物理中都能找到它的应用。

测量液体(例如水)的表面张力系数有多种方法,如最大泡压法、平板法(亦称拉普拉斯法)、

毛细管法、焦利氏秤法、扭力天平法等.这里只介绍焦利氏秤法。本实验首先利用逐差法测量焦

利氏秤弹簧的倔强系数,然后利用拉脱法测量液体的表面张力系数.

实验原理

1、液体分子受力情况

液体表面层中分子的受力情况与液体内部不同。在液体内部,分子在各个方向上受力均匀,

合力为零。而在表面层中,由于液面上方气体分子数较少,使得表面层中的分子受到向上的引

力小于向下的引力,合力不为零,这个合力垂直于液体表面并指向液体内部,如图1所示。所

以,表面层的分子有从液面挤入液体内部的倾向,从而使得液体的表面自然收缩,直到达到动态

平衡(即表面层中分

图1液体分子受力示意图

子挤入液体内部的速率与液体内部分子热运动而达到液面的速率相等)。这时,就整个液面来说,

如同拉紧的弹性薄膜。这种沿着表面,使液面收缩的力称为表面张力。

想象在液面上划一条线,表面张力就表现为直线两侧的液体以一定的拉力相互作用.这种张

力垂直于该直线且与线的长度成正比,比例系数称为表面张力系数。

2、矩形金属框架测量原理

将一表面清洁的矩形金属薄片竖直浸入水中,使其底面水平并轻轻提起。当金属片底面与

物理仿真实验

水面相平,或略高于水面时,由于液体表面张力的作用,金属片的四周将带起一部分水,使水面

弯曲,呈图2所示的形状。这时,金属片在竖直方向上受到(1)金属片的重力mg;(2)向上的

拉力F;(3)水表面对金属片的作用力-—表面张力fcos。

图2金属框受力示意图

其中为水面与金属片侧面的夹角,称为接触角。如果金属片静止,则竖直方向上合力为零,

Fmgfcos(1)

在金属片临脱离液体时,0,即cos1,则F应当是金属丝重力mg与薄膜拉引金属丝的

表面张力之和,则平衡条件变为:

Fmgf(2)

显然表面张力f是存在于液体表面上任何一条分界线两侧间的液体的相互作用拉力,其方

向沿着液体表面,且垂直于该分界线.表面张力f的大小与分界线的长度成正比。由于表面张力

f与接触面的周长2(ld)成正比,即,所以由(2)式得:

fFmg

σ

2(ld)2(ld)(3)

l

因此,只要通过实验测出拉力P、mg及和d,代入(3)式,即可求出水的表面张力系数。

l

实验时,可用—“”型金属框架来代替金属薄片。这时,为金属框架横梁的长度,d为金

属丝的直径.

lms2

(3)式中,

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