液体的表面张力

　　浮力和液体表面张力的概念都是中学阶段要求的学习内容，但是由于对浮力的相关知识学习较多，往往忽视了液体表面张力这一概念。比如，当一根头发轻轻地掉到水面上并漂浮在水面上时，大部分中学生都认为由于头发较轻，浮力使得其能够漂浮。然而事实确实如此吗?我们还需要更多地认识另外一个概念—液体的表面张力。生活常识告诉我们，当轻轻地托起一个一角硬币于水面上时，硬币有时也能漂浮，这时，如果我们再用浮力来解释，显然是不合理的，因为制造硬币的金属的密度远远大于水。这时，对液体表面张力的认识显得尤为重要。

　　凡是作用于液体表面，并且使液体表面积缩小的力，都称为液体表面张力。液体跟气体接触的表面存在一个薄薄的表面层，由于表面层里的分子受到内部液体分子的作用力大于外界空气分子的作用力，表层中的分子比液体内部稀疏，分子间的距离比液体内部大，分子间的相互作用表现为吸引力，这样，液体表面层就像一张被扩张的皮膜，总有一种收缩的趋势。由于这一收缩的趋势，使得液体表层具有阻止物体破坏自身而进入内部或到外面去的能力。也正是由于这种原因，才使得一些细小的昆虫能够在水面上自由行走，一些轻的硬币能够漂浮于水面。需要说明的是，液体表面张力来源于分子之间的吸引力，其方向总是垂直于液体表面

　　2.实验器材及过程

　　实验用到的主要器材有可伸降铁架台、压阻力敏传感器、玻璃皿、0.5克砝码若干、铝合金圆环和吊篮、游标卡尺、电压表、纯水、无水酒精、盐水等。让圆环水平放置，使其下沿与水接触，当圆环从水中拉出时，测量水对圆环的张力。由于张力与作用长度成正比，先测量铝合金圆环的内外周长。实验过程中使用的压阻力敏传感器输出的是电压值，因此，还需找到传感器输出的电压与力之间的关系，即定标。最后对张力进行测量，计算出不同液体的表面张力。

　　3.实验结果及计算

　　实验测得圆环的相关数据如表1所示。

　　对压阻力敏传感器定标后，即可测量几种液体的表面张力了。首先测量水，将圆环悬挂于压阻力敏传感器上，调整其高度并保持水平，调整铁架台旋钮，使得圆环的下沿浸泡于水中，不断下降水面的高度，能够观察到传感器输出的电压值越来越高，之后有一个减小过程，最后，水和圆环的下沿完全脱离，电压值突然下降到一个较小的值，这一较小的电压值代表的是圆环的重力，而在脱离前瞬间的电压值表示的是张力和圆环的重力之和。经过多次测量，水、盐水、酒精的数据如表3所示。

　　根据以上数据可计算得到张力的作用长度即圆环的内外周长之和为208.22mm，压阻力敏传感器的敏感系数为20.05mV/g，圆环在水、盐水、酒精中收到的张力分别为13.03mN、14.78mN、6.37mN。根据液体表面张力正比于作用长度这一规律，可得到常温下水、盐水、酒精的表面张力系数分别为0.063、0.071、0.031N/m。从这一计算结果可以看出，盐水的表面张力系数最大，而酒精的表面张力系数最小，即盐水的表面最不容易被破坏，最不容易发生浸润现象，最容易形成液滴，硬币也最容易在其表面漂浮。

　　实际生活中，液体表面张力有重要的应用，比如，可在金属器材表面涂抹机油，使得液态水在其表面不容易浸润、容易形成水珠滚落，从而减少机器因水分过多而引起生锈的几率。比如，矿场用浮选矿法选矿时，将破碎后的矿石倒进水中，再向其中加入能够被矿物所识别的油酯，使得所需挑选的矿物表面上附着一层油酯，随后再往水中通入空气，这样空气在水下形成的气泡就可以吸附到有所选矿物颗粒外的油酯层上并将其带到水面。

　　综上所述，液体表面都存在张力，表面张力系数是表征液体性质的重要特征参数。事实上，当我们观察漂浮于液体表面的物体时，如果物体有一部分浸泡于液体中时，则漂浮是浮力的原因;如果物体并没有浸泡于液体中，而且由于自身的重力，物体下的液面向下凹陷，则漂浮是表面张力的原因。

　　致谢

　　感谢河南科技大学臧国忠老师对本人的实验指导。

　　参考文献

　　[1]焦丽凤,陆申龙.用力敏传感器测量液体表面张力系数[J].物理实验,2002,22(7):40-42.

　　[2]刘竹琴,冯红侠.几种液体表面张力系数与其浓度关系的实验研究[J].延安大学学报:自然科学版,2008,27(2):34-36.