液體表面總是處于一種繃緊的狀態(tài)，這是由于液面各部分之間存在著(zhù)相互拉緊的力，這種力就是表面張力，表征表面張力的一個(gè)重要參數是表面張力系數，它的大小由液體的種類(lèi)及溫度決定，不同溶質(zhì)的溶液其表面張力系數亦不盡相同。測定液體的表面張力系數也是大學(xué)物理實(shí)驗中一個(gè)重要的基本力學(xué)實(shí)驗，本文測定了不同蔗糖溶液在不同濃度下對表面張力系數的影響。

1、測量原理

測量表面張力系數的方法有拉脫法、毛細管法、最大氣泡壓力法、光纖干涉法、激光衍射法等，本實(shí)驗中采用拉脫法。實(shí)驗儀器為FD-NST-1表面張力系數測定儀,其拉力與輸出電壓關(guān)系為F=U/B,B為傳感器靈敏度。

一個(gè)金屬環(huán)其內、外徑分別為D1和D2，將其固定在硅壓阻力敏傳感器上，并垂直浸沒(méi)于液體中，通過(guò)旋轉螺絲升降平臺，降低平臺時(shí)，圓環(huán)被漸漸拉起，金屬環(huán)和液面之間拉起環(huán)形液膜，忽略被拉起的液膜重力，此時(shí)拉力為

F1=m0g+fcosθ，

其中，m0為吊環(huán)質(zhì)量,f為液體表面張力。f=π(D1+D2)α,α為表面張力系數,θ為表面張力與豎直方向的夾角，稱(chēng)為濕潤角。

當液膜即將被拉脫時(shí)，θ≈0傳感器受到的拉力為

F1=m0g+f，

液膜被拉脫后拉力為

F2=m0g，

故表面張力系數為

2、數據測量和處理

2.1硅壓力敏傳感器定標

為了減小人為誤差，對于力敏傳感器的靈敏度的測量采用先依次增加砝碼片個(gè)數，測出相應電壓用U+表示，再依次減小砝碼片個(gè)數,測出相應電壓用U-表示,然后再將電壓取平均值。測量數據如下,太原地區的重力加速度為9.7970 m/s2。由圖1得傳感器的靈敏度為B=2.6792 V/N,線(xiàn)性相關(guān)系數R2=0.9999。

2.2不同蔗糖溶液的表面張力系數測定

本實(shí)驗所用吊環(huán)外徑D1=3.496 cm,內徑D2=3.310 cm，調節上升架，記錄環(huán)在即將拉斷液體時(shí)數字電壓表的讀數為U1，拉斷時(shí)數字電壓表的讀數為U2。實(shí)驗所選樣品為白糖和紅糖，這兩種蔗糖由于提取的工藝不同而呈現不同的顏色，但都屬于蔗糖類(lèi)，實(shí)驗中分別配置了從1%～8%的濃度的白糖溶液和紅糖溶液，在20℃下分別測量其不同濃度下的表面張力系數，測量數據如表2和表3，做表面張力系數隨濃度變化的圖如圖2，3。

由測量數據及圖像可看出，與純水的表面張力系數（72.75×10-3N/m）相比，當加了蔗糖后，其表面張力系數均有所降低。在同一濃度下，白糖溶液的表面張力系數大于紅糖溶液的表面張力系數；對于白糖溶液，隨著(zhù)濃度的增加，表面張力系數先快速減小，在4%的濃度時(shí)表面張力系數達到最小，之后又有小幅增加；對于紅糖溶液，其表面張力系數要低于白糖溶液，隨著(zhù)濃度的增加，表面張力系數減小，只是在濃度較小時(shí)減小的快，濃度較大時(shí)減小的慢。

表2白糖溶液的表面張力系數

圖2白糖溶液的表面張力系數

出現這種現象的原因與兩種蔗糖的成分有關(guān)，紅糖是將甘蔗切碎碾壓成汁液去除泥土、細菌、纖維等雜質(zhì)，慢火熬制而成，其主要成分蔗糖、維生素、微量元素及氨基酸等，白糖是紅糖經(jīng)洗滌、離心、分蜜、脫光等幾道工序制成的，其主要成分是碳水化合物和鈣，由于兩種糖類(lèi)的成分不同，使得他們的表面張力系數不同。

表3紅糖溶液的表面張力系數

圖3紅糖溶液的表面張力系數

3、結論

不同種類(lèi)的雜質(zhì)的表面張力系數是不同的，摻入同類(lèi)雜質(zhì)如蔗糖，由于不同的制作工藝，得到不同的蔗糖如紅糖和白糖，其成分有差別，這樣的差別也會(huì )導致不同的蔗糖溶液的表面張力系數不同，蔗糖溶液的表面張力系數比純水的表面張力系數小，同一濃度下，白糖溶液的表面張力系數大于紅糖溶液的表面張力系數，而且隨著(zhù)濃度的增加，兩種溶液的表面張力系數的變化趨勢也不盡同。