测量液体表面张力系数的新方法

薛叶斌，孙长平，路宝凤，崔宝凤

(临沂大学　a.理学院；b.实验中心，山东省 临沂市　276005)



测量液体表面张力系数的新方法

薛叶斌1，孙长平1，路宝凤2，崔宝凤2

(临沂大学a.理学院；b.实验中心，山东省 临沂市276005)

摘要基于拉脱法测量液体表面张力系数的原理，采用排水法和杠杆原理来测量水的表面张力系数，实验结果表明，使用该文装置测量的结果与标准值符合得很好，与传统的拉脱法相比，测量精度有了很大的提高。该方法具有实验仪器简单、可操作性强、实验结果精确等优点，能够为测量液体表面张力系数提供一种新的途径。

关键词液体表面张力；杠杆原理；排水法

液体的表面张力系数是表征液体性质的一个重要参数，测定液体表面张力的方法很多，如拉脱法、悬滴法、最大气泡压力法、旋转液滴法、等密度法和毛细管上升法等[1-8]，其中传统的拉脱法具有实验仪器简单、操作简单的特点，目前很多高校实验室主要采用拉脱法来测量液体表面，但是拉脱法的缺点在于人为干预多、测量误差大、测试结果重复性不好等。基于以上原因，我们基于拉脱法，采用排水法和杠杆原理设计了一种测量液体表面张力的新装置，该装置具有有实验仪器简单、可操作性强、实验结果精确等优点，能够为测量液体表面张力系数提供一种新的途径。

1实验原理

液体表面层内分子相互作用的结果使得液体表面自然收缩，犹如紧张的弹性薄膜，液面收缩而产生的沿着切线方向的力称为表面张力。设想在液面上作长为L的线段，线段两侧液面便有张力F1相互作用，其方向与L垂直，大小与线段长度L成正比。即有：

F1=KL

(1)

比例系数称为液体表面张力系数，其单位为N/m。

用一根表面洁净的长为L的细金属丝浸入水中，将杠杆调节至平衡，如图1所示，旋开排水瓶的阀门，使水缓慢流下，排水瓶内液面缓慢降低，当铁丝刚要接触水膜时，电子天平示数开始缓慢变小，此时记录其初始值n1，当金属丝将要脱离液面，即拉起的水膜刚好要破裂时，此时电子天平示数达到最小，记录此时电子天平示数为n2，根据杠杆原理可得：

F1L1=F2L2

(2)

式中，L1、L2分别为图1中杠杆左、右两臂长度，F1为液体表面张力，F2为电子天平上物体前后两次的重力之差，即：

F2=(n1-n2)g

(3)

由式(1)～式(3)推得液体表面张力系数为：

K=(n1-n2)gL2/L1L

(4)

式中，g为物体重力加速度，本实验中g=9.8 m/s2。

图1　试验装置示意图

2实验操作和实验结果

由于液体表面张力系数与液体种类、纯度、温度和液面上方的气体成分有关，本实验在室温28 ℃的蒸馏水中进行，实验器材有电子天平、铁架台、杠杆、小锁、烧杯、排水玻璃瓶、温度计、镊子、细铁丝、游标卡尺和米尺，其中为了实验方便我们利用小锁代替砝码，实验装置如图2所示。

图2　试验装置实物图

表1　纯水的表面张力系数测量(水温28 ℃)

注：28 ℃纯水的表面张力系数71.5×10-3N/m

由式(1)可知，由于同一条件下液体表面张力系数K为常数，改变参数金属丝长度，液体表面张力F1也相应地改变，但它们的比值等于K不改变，因此在理论上参数L对测量的液体表面张力系数没有影响。由于F1的数值非常小，很难直接测量，故我们采用间接的方法去测量，通过测量铁丝刚要接触水膜时电子天平示数值n1和拉起的水膜刚好要破裂时电子天平数值n2差值，由式(2)和式(3)计算得到F1。由式(1)可知，L值越大F1就越大，在实验中就越易测量，测量的精度就越高，本实验中由于受限于实验中排水玻璃瓶的瓶身直径，因此我们选择4.5 cm长的金属丝，如果选择更大瓶身直径的排水玻璃瓶，实验结果将会更精确。

3结束语

本实验基于拉脱法测量液体表面张力系数的原理，采用电子天平结合排水法和杠杆原理来测量液体表面张力系数。通过改进的实验装置测量了水温为28 ℃的纯水的表面张力系数，测量结果与水的表面张力系数表准值符合得很好，与传统的拉脱法相比，测量的精度有很大的提高，由于该方法具有实验仪器简单，可操作性强，实验结果精确等优点，因此是一种精度很高的测量液体表面张力系数的可靠方法。

参 考 文 献

[1]沈元华，陆申龙.基础物理实验[M].北京：高等教育出版社，2003:116-119.

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[3]陈爱霞，刘丽明.拉脱法测量液体表面张力系数的不足与改进[J].九江学院学报，2014，104(4):52-54.

[4]代伟，方小兵，陈中钧，等.大学物理实验[M].北京：科学出版社，2010:106-108.

[5]伊鑫，朴渊，柳青，等．拉脱法测量纯水表面张力系数实验的研究[J].大学物理，2008，27(2):60-63．

[6]安郁宽．毛细管探针法测定液体的表面张力系数[J].大学物理，2010，29(10):37-40．

[7]孔维姝，赵维，唐延，等．拉脱法测量液体表面张力系数实验的改进[J].物理实验，2012(1):36-38．

[8]于军胜，唐季安．表(界)面张力测定方法的进展[J].化学通报，1997，60(11):11-15．

收稿日期:2016-01-11

基金项目：国家自然科学基金(11247208)；临沂大学博士启动基金(LYDX2013BS057，LYDX2013BS018)；临沂大学大学生创新创业计划(201410452100)。

作者简介：薛叶斌(1992-)，男，本科生，物理学专业。

中图分类号O4-33

文献标志码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