如何测量表面张力

内容

脚步
方法 1 of 3：使用摇臂
方法 2 of 3：通过毛细管效应
方法 3 of 3：如何使用硬币确定相对表面张力
你需要什么

表面张力描述了流体抵抗重力的能力。例如，当水分子相互吸引时，桌面上的水会形成水滴，从而抵消重力。由于表面张力，较重的物体（例如昆虫）可以保持在水面上。表面张力以力 (N) 除以单位长度 (m) 或每单位面积的能量来衡量。水分子相互作用的力（内聚力）会产生张力，从而产生水滴（或其他液体）。可以使用几乎每个家庭中都有的一些简单物品和计算器来测量表面张力。

脚步

方法 1 of 3：使用摇臂

1 写出表面张力方程。 本实验中，确定表面张力的公式如下： F = 2Sd，在哪里 F - 以牛顿 (N) 为单位的力，秒 - 以牛顿每米 (N / m) 为单位的表面张力， d 是实验中使用的针的长度。让我们用这个方程来表达表面张力： S = F / 2d.
- 力将在实验结束时计算。
- 在开始实验之前，用尺子测量针的长度（以米为单位）。
2 制作一个小摇臂。 本实验使用摇臂和漂浮在水面上的小针来测定表面张力。有必要仔细考虑摇臂的构造，因为结果的准确性取决于它。您可以使用各种材料，主要是用坚硬的东西制作单杠：木头、塑料或厚纸板。
- 确定要用作横杆的杆（例如，吸管或塑料尺）的中心，并在此位置钻孔或打孔；这将是横杆的支点，它将在那里自由旋转。如果您使用的是塑料吸管，只需用大头针或钉子将其刺穿即可。
- 在横梁的末端钻孔或打孔，使它们与中心等距。将线穿过孔以悬挂重量杯和针。
- 如有必要，用书本或其他足够坚硬的物体支撑横梁，以保持横梁水平。横杆必须围绕卡在其中间的钉子或杆自由旋转。
3 取一块铝箔，将其卷成盒子或碟子的形状。 这个碟子完全没有必要是规则的方形或圆形。您将用水或其他一些重量填充它，因此请确保它可以支撑重量。
- 在酒吧的一端挂一个锡箔盒或碟子。沿着碟子的边缘钻几个小孔，然后穿过它们，让碟子挂在吧台上。
4 从杆的另一端挂一根针或回形针，使其水平。 将针或回形针水平系在悬挂在杆另一端的线上。为了使实验成功，必须将针或回形针准确地水平放置。
5 在吧台上放一些东西，比如橡皮泥，以平衡铝箔容器。 在开始实验之前，必须确保横杆处于水平位置。铝箔碟比针重，所以碟子侧面的杆会掉下来。将足够多的橡皮泥粘贴到杆的另一侧，使其水平。
- 这称为平衡。
6 将悬空的针头或回形针放入盛有水的容器中。 这一步需要额外的努力才能将针头放在水面上。确保针不会沉入水中。将容器装满水（或其他未知表面张力的液体）并将其放在悬针下，使针直接在液体表面上。
- 确保固定针的绳子保持原位并且足够紧。
7 在小范围内称量几个针或少量已测量的水滴。 您将在摇杆上的铝制碟子中加入一根大头针或一滴水。在这种情况下，有必要知道针头离开水面时的确切重量。
- 计算针或水滴的数量并称重。
- 确定一根针或一滴水的重量。为此，请将总重量除以销钉或滴管的数量。
- 假设 30 个别针重 15 克，那么 15/30 = 0.5，即一个别针重 0.5 克。
8 在铝箔碟中一次添加一个针脚或水滴，直到针头离开水面。 逐渐加入一根针或一滴水。仔细观察针头，以免错过下一次增加重量后针头脱离水的时刻。一旦针头离开液体表面，停止添加针或水滴。
- 计算导致杆另一端的针从水面脱落的针或水滴的数量。
- 写下结果。
- 重复实验几次（5 或 6 次）以获得更准确的结果。
- 计算所得结果的平均值。为此，将所有实验中的针数或滴数相加，然后将总数除以实验数。
9 将针数转换为强度。 为此，将克数乘以 0.00981 N/g。要计算表面张力，您需要知道将针从水面提起所需的力。由于您在上一步中计算了销钉的重量来确定力，因此您只需将该重量乘以 0.00981 N/g。
- 将碟子中的针脚数乘以一根针脚的重量。例如，如果放入 5 个销钉，每个销钉重 0.5 克，它们的总重量为 0.5 克/销钉 = 5 x 0.5 = 2.5 克。
- 将克数乘以 0.00981 N/g 的系数：2.5 x 0.00981 = 0.025 N。
10 将这些值代入等式，找到您要查找的值。 实验过程中获得的结果可用于确定表面张力。只需插入您找到的值并计算结果。
- 假设在上面的示例中，针的长度为 0.025 米。将这些值代入方程，我们得到：S = F / 2d = 0.025 N / (2 x 0.025) = 0.05 N / m。因此，液体的表面张力为 0.05 N/m。

方法 2 of 3：通过毛细管效应

1 了解毛细管效应。 要了解毛细现象，首先必须熟悉粘附力和内聚力。附着力会导致液体粘在坚硬的表面上，例如玻璃。由于凝聚力，液体分子相互吸引，在粘附力和凝聚力的共同作用下，液体在细管中上升。
- 从管内液体上升的高度，可以计算出这种液体的表面张力。
- 内聚力导致在表面形成气泡和液滴。当液体与空气接触时，液体的分子会相互吸引，从而形成气泡。
- 粘附导致弯液面的形成，这在液体与玻璃壁的接触点处很明显。弯月面的凹形肉眼可见。
- 毛细管效应的一个例子是在一杯水中的吸管中产生液体。
2 写下确定表面张力的方程式。 表面张力计算如下： S = (ρhga / 2)，在哪里秒 - 表面张力， ρ - 所研究液体的密度， H - 管中液体上升的高度， G - 由于重力作用于液体而产生的重力加速度 (9.8 m / s)，一种是毛细管的半径。
- 将数据代入此等式时，请确保它们以公制单位表示：密度（kg/m）、高度和半径（m）、重力加速度（m/s）。
- 如果没有事先给出液体的密度，可以在手册中找到或使用公式密度=质量/体积计算。
- 表面张力以牛顿每米 (N/m) 为单位测量。牛顿等于1公斤*米/秒。要独立确定测量单位，只需将它们代入方程，无需数值：S = kg / m * m * m / s * m。如果我们在分子和分母中减少两米，我们得到1公斤*米/秒/米，即1牛/米。
3 将未知表面张力的液体倒入容器中。 取一个浅盘子或碗，将液体倒入其中，使其覆盖底部 2 至 3 厘米。液体的量无所谓，主要是它在毛细管中会上升多少是清晰可见的。
- 如果您要尝试不同的液体，请在将不同的液体倒入之前彻底清洁并擦干盘子，或者每次使用不同的容器。
4 将干净的细管浸入液体中。 根据该管中流体上升的高度，您将确定表面张力。保持管道畅通，以便您可以清楚地看到液体在盘子中高于其水平面的高度。此外，管子必须具有恒定的半径。
- 要测量半径，只需将尺子靠在管子的顶部并确定直径。然后将直径除以 2，您将找到半径。
5 测量液体在盘子中高于其水平面的高度。 将尺子的边缘移到托盘中的液体表面，并确定液体在管中上升了多高。管内的水上升是因为表面张力的升力超过了重力的拉力。
6 将这些值代入方程并进行计算。 确定所有所需值后，将它们代入方程并求出表面张力。请务必将所有值转换为公制单位以获得正确的结果。
- 假设我们正在测量水的表面张力。水的密度约为 1 kg / m3（在本例中，我们使用的是近似值）。重力加速度为 9.8 m/s。设管半径为0.029 m，水已经上升到0.5 m的高度，水的表面张力是多少？
- 将得到的值代入方程得到：S = (ρhga / 2) = (1 x 9.8 x 0.029 x 0.5) / 2 = 0.1421 / 2 = 0.071 J/m。

方法 3 of 3：如何使用硬币确定相对表面张力

1 收集你需要的一切。 在这个实验中，你需要一个滴管、一个干硬币、水、一个小碗、洗碗液、植物油和一条毛巾。所有这些都可以在家里找到或在当地商店购买。你可以不用洗洁精和植物油，但你需要一些不同的液体进行比较。
- 在开始实验之前，请确保硬币清洁干燥。如果你使用湿硬币，你会得到不准确的结果。
- 本实验不允许计算表面张力，只能用于比较不同液体的表面张力。
2 一次滴一滴液体到硬币表面。 将硬币放在毛巾或其他不会被弄湿的表面上。将第一种液体放入移液管中，然后将一滴慢慢滴在硬币上。这样做时，计算滴数。继续直到液体溢出硬币外面。
- 记录液体溅到硬币外面需要多少滴。
3 用不同的液体重复这个过程。 每次更换液体时都要清洁并擦干硬币。还要擦干放置硬币的表面。在新实验前使用不同的移液器或清洁移液器。
- 尝试在水中加入一些洗洁精，然后将水滴到硬币上，看看表面张力是否发生变化。
4 比较不同液体填充硬币所需的滴数。 尝试用相同的液体多次重复实验，看看结果是否准确。平均结果：将不同实验中的滴数相加，然后将总数除以实验次数。写下不同液体填充硬币需要多少滴。
- 填充硬币所需的给定液体滴越多，该液体的表面张力就越高。
- 洗洁精会降低水的表面张力；添加它将需要更少的滴来填充硬币。