大学物理实验——表面张力系数

大学物理实验报告 题目 液体表面张力系数的测定 专业班次 姓名 日期 2014 10 14 1 实验名称 液体表面张力系数的测定 2 实验任务 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 测量室温下水的表面张力系数 3 实验仪器 液体表面张力系数测定仪 垂直调节台 硅压阻力敏传感器 铝合金吊环 吊盘 砝 码 玻璃皿 镊子和游标卡尺 4 实验原理 1 硅压阻力敏传感器的灵敏度 当传感器的力臂发生形变时 硅力敏传感芯片就会把这一形变转变成电压值 有数字 电压表显示出来 在弹性范围内 力臂的形变与挂钩所受的力成正比 而硅力敏传感芯片 的输出电压与力臂的形变成正比 也就是说传感器的输出电压与挂钩上所受的力成正比 其比值称为传感器的灵敏度 即 F BU 2 实验的基本构思与原理 在实验中 将一个金属圆环固定在传感器上 该环浸没于液体中 当把圆环渐渐从液 体中拉起时 金属圆环会受到液体表面膜的拉力作用 表面膜拉力的大小为 2121Drlf 式中 D1 D 分别为圆环外径和内径 为液体表面张力系数 在液面拉脱的瞬间 这个表面膜的拉力消失 因此 金属圆环拉脱瞬间前后传感器受到的拉力差为 1 21Df 并以数字式电压表输出显示为 2 BUf 1 式中 U1 为吊环即将拉断液体柱前一瞬间数字电压表读数值 U2 为拉断时瞬间数字电 压表读数 B 为力敏传感器的灵敏度 由 1 2 我们可以得到液体的表面张力系数 为 3 2121 D 因此 只要测量出 U1 U2 B D1 和 D2 就能得到液体的表面张力系数 5 实验操作步骤 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 0 5g 1 0g 1 5g 2 0g 2 5g 3 0g 等质量的砝码 记录相应这 些砝码力 F 作用下 数字电压表的读数值 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 将实验数字代入公式 3 求出液体表面张力系数 并与标准值进行比较 6 实验数据表格及处理 力敏传感器定标 物体质量 m g 0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 输出电压 U mV 水的表面张力系数测量 测量次数 D1 mm D2 mm U1 mV U2 mV U mV Nf310 m 3 1 2 3 4 5 6 力敏传感器定标 物体质量 m g 0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 物体重力 G 10 3N 4 9 9 8 14 7 19 6 24 5 29 4 34 3 输出电压 U mV 12 6 27 9 41 3 53 8 66 4 80 2 93 8 由图表可以得到传感器的灵敏度为 B 2 7208V N 通过查询资料知道纯净水在m N102 696543213 27 和 25 时的张力系数分别为 71 8 N m 和 72 0 N m 3 7 实验结论 本实验在常温下进行 采用了拉脱法测量水的表面张力系数 由于实验使用的是自来 水 参杂了一些表面活性物质 使得水的表面张力系数变小 与资料数据有一定出入 故 排除实验操作的绝对误差 在相对误差允许的范围内 本实验测定了水的表面张力系数 m N102 693 8 实验误差分析 1 定标时 由于砝码盘的晃动使得传感器受到大于砝码盘 含砝码 重力的力 导致 定标时测得的灵敏度变大 最终使液体表面张力系数测量结果变小 2 如果吊环不水平 则会导致吊环在上升的时候 水膜不是同时破裂 实际作用在吊 环的作用力只有吊环周长的一部分 这会导致最后测得的结果偏小 3 在观察水膜破裂前后电压变化的时候 如果吊环上升过快 传感器尚未显示出最大 电压值时水膜已破裂 这样也会造成最终测量结果偏小 4 实验使用的不是纯净水而是自来水 故实验本身已不具备高精确性 9 实验思考题 1 测量前为什么要对整机进行预热 答 仪器元件通电工作时会随着时间的延长而产生温度变化 在实验 过程中 温度的变化所产生的技术参数变化的误差越小越好 而电子元件 在通电工作一段时间后 它的各项参数就基本可以稳定了 这时进行电子 测量是最精确的 所以 精密的电子测量仪器都需要通电预热时间的 2 要得到准确的测量结果 实验中的哪几个步骤最为关键 你为做好这几 步骤的测量采取了什么措施 措施是否奏效 你认为是为什么 答 a 力敏传感器定标之前应先调零 待电压表输出稳定后再读数 b 砝码应轻拿轻放 避免砝码盘晃动 这样传感器受到的力才会等于砝 码重力 c 实验仪器应先预热 这样会减小仪器元件温度变化带来的误差 d 吊环必须保持水平 缓慢旋转升降台 避免水晃动 这样会使得整个 水膜一次性脱离吊环 得到水膜的最大张力 我在实验中通过反复调整吊 环水平姿势并观察其脱离水膜的过程 直到水膜和吊环一次性脱离 e 传感器电压示数从最大值开始减小时 应减慢升降台的下降速度 仔 细观察水膜脱离那一瞬间的电压差 并记录下来 3 如果金属圆环不清洁 水不够纯净 将会测量带来什么影响 所测 值 偏大还是偏小 为什么 答 水不够纯净或参杂了杂质 都会使得测量结果偏大或偏小 若参 杂了表面活性物质或者表面张力系数更小的液体 则会使得水膜的张力变 小 测的结果自然也变小 反之参杂了表面非活性物质或者张力系数较大 的液体 就会使得测量结果偏大 4 你认为该试验在那些地方还可以改进 怎样改进 答 首先实验可以采用纯净水来做 这样会使得实验更具精确性 然 后实验仪器也要尽量洁净 以免使得纯净水参杂 吊环还可以使用绳子来 拉起 这样更容易保证吊环水平 实验更精确