实验报告液体表面张力系数的测量高等教育实验设计_高等教育-大学课件.pdf

1.实验名称 液体表面张力系数的测量 2.实验目的(1)用砝码对硅压阻力敏传感器进行定标，计算该传感器的灵敏度，学习传感器的定标方法。(2)观察拉脱法测液体表面张力的物理过程和物理现象，并用物理学基本概念和定律进行分析和研究，加深对物理规律的认识。(3)测量纯水和其它液体的表面张力系数。(4)测量液体的浓度与表面张力系数的关系(如酒精不同浓度时的表面张力系数)3.实验原理:主要原理公式及简要说明、原理图(1)液体表面张力f 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，其方向沿液体表面，且恒与分界线垂直，大小与分界线的长度成正比，即 Lf (1)式中称为液体的表面张力系数，单位为 NM-1。实验证明，表面张力系数的大小与液体的温度、纯度、种类和它上方的气体成分有关。温度越高，液体中所含杂质越多，则表面张力系数越小。(2)液膜拉破前瞬间受力分析 将内径为D1，外径为D2的金属环悬挂在测力计上，然后把它浸入盛水的玻璃器皿中。当缓慢地向上金属环时，金属环就会拉起一个与液体相连的水柱。由于表面张力的作用，测力计的拉力逐渐达到最大值 F（超过此值，水柱即破裂），则F应当是金属环重力mg与水柱拉引金属环的表面张力f之和，如图 1 所示。即 图 1 液膜拉破前瞬间受力分析图 fmgF(2)由于水柱有两个液面，且两液面的直径与金属环的内外径相同，则有)(21DDf (3)表面张力系数的值一般很小，测量微小力必须用特殊的仪器。本实验用 FD-NST-I型液体表面张力系数测定仪用到的测力计是硅压阻力敏传感器，该传感器由弹性梁和贴在梁上传感器芯片组成，其中芯片由四个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥。当外界压力作用与金属梁时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，输出电压U大小与所加外力F成正比，即 KFU (4)式中K表示力敏传感器的灵敏度，单位 V/N。(3)液体表面张力系数 吊环拉断液柱的前一瞬间，吊环受到的拉力为fmgF1；拉断时瞬间，吊环受到的拉力为mgF 2。若吊环拉断液柱的前一瞬间数字电压表的读数值为U1，拉断时瞬间数字电压表的读数值为U2，则有 21FFf(5)故表面张力系数为 KDDUU)(2121 (6)4实验内容 1.力敏传感器的定标 每个力敏传感器的灵敏度都有所不同，在实验前，应先将其定标，步骤如下：(1)打开仪器的电源开关，将仪器预热。(2)在传感器梁端头小钩中，挂上砝码盘，调节电子组合仪上的补偿电压旋钮，使数字电压表显示为零。(3)在砝码盘上分别加、等质量的砝码，记录相应这些砝码力F作用下，数字电压器的定标方法观察拉脱法测液体表面张力的物理过程和物理现象并用物理学基本概念和定律进行分析和研究加深对物理规律的认识测量纯水和其它液体的表面张力系数测量液体的浓度与表面张力系数的关系如酒精不同浓度时的表面侧间的液体的相互作用拉力其方向沿液体表面且恒与分界线垂直大小与分界线的长度成正比即式中称为液体的表面张力系数单位为实验证明表面张力系数的大小与液体的温度纯度种类和它上方的气体成分有关温度越高液体中所杂质玻璃器皿中当缓慢地向上金属环时金属环就会拉起一个与液体相连的水柱由于表面张力的作用测力计的拉力逐渐达到最大值超过此值水柱即破裂则应当是金属环重力与水柱拉引金属环的表面张力之和如图所示即图液膜拉破前瞬间受表的读数值U。2.环的测量与清洁(1)用游标卡尺单次测量金属圆环的外径D1和内径D2。(2)环的表面状况与测量结果有很大的关系。实验前应将金属环状吊片在 NaOH 溶液中浸泡 20-30 秒，然后用净水洗净。(3)测量液体的表面张力系数 将金属环状吊片挂在传感器的小钩上，调节升降台，将液体升至靠近环片的下沿，观察环状吊片下沿与待测液面是否平行。如果不平行，将金属环状吊片取下后，调节吊片上的细丝，使吊片与待测液面平行。调节容器下的升降台，使其渐渐上升，将环片的下沿部分全部浸没于待测液面，然后反向调节升降台，使液面逐渐下降。这时，金属环片和液面间形成一环形液膜，继续下降液面，测出环形液膜即将拉断前一瞬间数字电压表读数值U1和液膜拉断后一瞬间数字电压表读数值U2。重复测量 6 次。(3)将实验数字代入公式(4-47)和(4-46)，求出液体表面张力系数，并与标准值进行比较。4.注意事项(1)吊环须严格处理干净。可用 NaOH 溶液洗净油污或杂质后，用清洁水冲洗干净，并用热吹风烘干。(2)吊环水平须调节好，注意偏差01，测量结果引入误差为%；偏差02，则误差%。(3)仪器开机需预热 15 分钟。(4)在旋转升降台时，尽量使液体的波动要小。(5)工作室不宜风力较大，以免吊环摆动致使零点波动，所测系数不正确。(6)若液体为纯净水。在使用过程中防止灰尘和油污及其它杂质污染。特别注意手指不要接触被测液体。(7)力敏传感器使用时用力不宜大于。过大的拉力传感器容易损坏。(8)实验结束须将吊环用清洁纸擦干，用清洁纸包好，放入干燥缸内。器的定标方法观察拉脱法测液体表面张力的物理过程和物理现象并用物理学基本概念和定律进行分析和研究加深对物理规律的认识测量纯水和其它液体的表面张力系数测量液体的浓度与表面张力系数的关系如酒精不同浓度时的表面侧间的液体的相互作用拉力其方向沿液体表面且恒与分界线垂直大小与分界线的长度成正比即式中称为液体的表面张力系数单位为实验证明表面张力系数的大小与液体的温度纯度种类和它上方的气体成分有关温度越高液体中所杂质玻璃器皿中当缓慢地向上金属环时金属环就会拉起一个与液体相连的水柱由于表面张力的作用测力计的拉力逐渐达到最大值超过此值水柱即破裂则应当是金属环重力与水柱拉引金属环的表面张力之和如图所示即图液膜拉破前瞬间受6实验仪器：主要实验主要仪器的名称、型号及主要技术参数（测量范围和仪器误差）(1)实验仪器 FD NST型液体表面张力系数测定仪，力敏传感器，吊环，液体皿，数字电压表。(2)仪器介绍 FD NST型液体表面张力系数测定仪技术指标 硅压阻力敏传感器：受力量程；灵敏度约 N(用砝码质量作单位定标)。供电电压：直流 5-12V。7数据记录及处理：数据记录 表 1 硅压阻力敏传感器的定标 次数 1 2 3 4 5 6 砝码质量 m/g 1 2 3 输出电压 V/mV 表 2 水的表面张力系数测量 t=20度，D1=，D2=次 U1/mv U2/mv U/mv U均/mv 1 2 3 4 5 6 数据处理 硅压阻力敏传感器灵敏度的确定 器的定标方法观察拉脱法测液体表面张力的物理过程和物理现象并用物理学基本概念和定律进行分析和研究加深对物理规律的认识测量纯水和其它液体的表面张力系数测量液体的浓度与表面张力系数的关系如酒精不同浓度时的表面侧间的液体的相互作用拉力其方向沿液体表面且恒与分界线垂直大小与分界线的长度成正比即式中称为液体的表面张力系数单位为实验证明表面张力系数的大小与液体的温度纯度种类和它上方的气体成分有关温度越高液体中所杂质玻璃器皿中当缓慢地向上金属环时金属环就会拉起一个与液体相连的水柱由于表面张力的作用测力计的拉力逐渐达到最大值超过此值水柱即破裂则应当是金属环重力与水柱拉引金属环的表面张力之和如图所示即图液膜拉破前瞬间受y=29.949x+1.4402040608010000.511.522.533.5系列1线性(系列1)根据表 1 数据，利用作图法求得传感器灵敏度 K=N 所测空气比热容比的平均值为：0749.0）00.3500.32（314.33.47)D(U21DK 相对不确定度和不确定度的计算如下：22222122)()ln()(）ln（）（）Uln（21DDuruDuDuu 2720.016)(61211iuUUSi 仪=2898.0u2仪222UuBASuu )ln()Kln()Uln(ln21DD 62110584.1)(1lnDDKU 118.1)(ln2211DDKUD 118.1)(ln2212DDKUD 器的定标方法观察拉脱法测液体表面张力的物理过程和物理现象并用物理学基本概念和定律进行分析和研究加深对物理规律的认识测量纯水和其它液体的表面张力系数测量液体的浓度与表面张力系数的关系如酒精不同浓度时的表面侧间的液体的相互作用拉力其方向沿液体表面且恒与分界线垂直大小与分界线的长度成正比即式中称为液体的表面张力系数单位为实验证明表面张力系数的大小与液体的温度纯度种类和它上方的气体成分有关温度越高液体中所杂质玻璃器皿中当缓慢地向上金属环时金属环就会拉起一个与液体相连的水柱由于表面张力的作用测力计的拉力逐渐达到最大值超过此值水柱即破裂则应当是金属环重力与水柱拉引金属环的表面张力之和如图所示即图液膜拉破前瞬间受%003.02）1002.0（118.1）102898.0（）10584.1（)()ln()(）ln（）（）Uln（3-223-26-2222212221DDuruDuDuu 6-103%003.00749.0ruu 用不确定度表示空气比热容比的测量结果如下：%004.0%100u/N10）0003.049.7（u2-umr 8.数据分析 相对误差计算：%9.2%1000728.00728.00749.0%100理测理 9.误差分析 本实验中采用硅压阻力敏传感器张力测定仪来测量室温下纯水的表面张力系数，测得20度下，纯水的表面张力系数为10-3N/m，与理论值10-3N/m相比偏大，相对误差为%，造成误差的主要原因有：（1）薄膜的重量、金属环所受浮力、接触角等因素造成的系统误差，（2）和平台引起的液面振动、圆环的净化处理、液体浸润不充分、外界环境变化(如空气流动)等因素造成的偶然误差。为减小误差，实验前应对实验物体作净化处理，操作时动作要平稳连续，减少振动，但操作不宜过慢。10.结果的分析讨论 本实验中采用硅压阻力敏传感器张力测定仪来测量室温下纯水的表面张力系数，测得20 度下，纯水的表面张力系数为10-3N/m，与理论值10-3N/m相比偏大，相对误差为%，误差原因已经在前面进行了分析。器的定标方法观察拉脱法测液体表面张力的物理过程和物理现象并用物理学基本概念和定律进行分析和研究加深对物理规律的认识测量纯水和其它液体的表面张力系数测量液体的浓度与表面张力系数的关系如酒精不同浓度时的表面侧间的液体的相互作用拉力其方向沿液体表面且恒与分界线垂直大小与分界线的长度成正比即式中称为液体的表面张力系数单位为实验证明表面张力系数的大小与液体的温度纯度种类和它上方的气体成分有关温度越高液体中所杂质玻璃器皿中当缓慢地向上金属环时金属环就会拉起一个与液体相连的水柱由于表面张力的作用测力计的拉力逐渐达到最大值超过此值水柱即破裂则应当是金属环重力与水柱拉引金属环的表面张力之和如图所示即图液膜拉破前瞬间受