THQZL-1型 实验指导书.doc

THQZL-1型 液体表面张力系数测量实验仪目 录 一、实验目的2二、实验仪器2三、实验原理5四、实验内容与步骤8五、实验报告10六、注意事项11七、附表12八、参考文献12THQZL-1型 液体表面张力系数测量实验仪实验指导书前 言液体的表面张力是表征液体性质的一个重要参数。测量液体的表面张力系数有多种方法，如：拉脱法、毛细管法、最大气泡法等。拉脱法是测量液体表面张力系数常用的方法之一。该方法的特点是，用秤量仪器直接测量液体的表面张力，测量方法直观，概念清楚。用拉脱法测量液体表面张力，对测量力的仪器要求较高，由于用拉脱法测量液体表面的张力约在110-3110-2 N之间，因此需要有一种量程范围较小，灵敏度高，且稳定性好的测量力的仪器。高精度金属铂片式电阻应变传感器张力测量实验仪能满足测量液体表面张力的需要，它比传统的焦利秤、扭秤等灵敏度高，稳定性好，且可数字信号显示，利于观察，读数。为了能对各类液体的表面张力系数的不同有深刻的理解，在对水进行测量以后，再对不同浓度的酒精溶液进行测量，这样可以明显观察到表面张力系数随溶液浓度的变化面变化的现象，从而对这个概念加深理解。一、实验目的1. 学习用拉脱法测量液体的表面张力系数的方法；2. 研究溶质对液体表面张力系数的影响；3. 了解非平衡电桥的工作原理。二、实验仪器 液体表面张力系数测量实验仪分为两部分：（一）实验仪部分：实验仪主要用于显示作用在传感器上力的大小及提供测试台工作电源，其面板如图（一）所示。由调零电位器、高精度电阻应变式传感器工作电源、数字电压表等组成。图一 实验仪面板结构图（二）测试台部分：测试台结构图如（图一）所示。其装置包括测试台底座、水平调节螺钉，水平仪、升降调节螺钉、支撑悬臂、导向悬臂、悬挂线、均质圆环、10g高精度电阻应变式传感器、支撑杆等组成。图二 测试台结构图三、实验原理液体表面层分子所处的环境和液体内部分子不同，液体内部每个分子四周都被同类的其他分子所包围，它所受到的周围分子的合力为零。但处于液体表面层内的分子，由于液面上方为气体，分子数很少，因而表面层内每个分子受到向上的引力比向下的引力小，合力不为零，即液体表面处于张力状态。表面分子有从液面挤入液体内部的倾向，使液面自然收缩，直到处于动态平衡，即在同一时间内脱离液面挤入液体内部的分子数和因热运动而达液面的分子数相等为止。因而在没有外力作用时液滴总是呈球形，即使其表面积缩到最小。表面张力类似于固体内部的拉伸应力，只不过这种应力存在于极薄表面层内，而且不是由于弹性形变所引起的，是液体表面层内分子力作用的结果。表面张力的大小可以用表面张力系数来描述。本实验仪适用于用拉脱法测量液体的表面张力。测量一个已知周长的金属片在脱离待测液体表面时需要的力即表面张力，求得该液体表面张力系数的实验方法称为拉脱法。设想在液面上作一长为L的线段，则因张力的作用使线段两边液面以一定的拉力F相互作用，且力的方向恒与线段垂直，大小与线段长度L成正比，即 （1）其中F为表面张力，单位为N；L为线段长度，单位为m；比例系数称为液体表面张力系数，定义为作用在单位长度上的表面张力，单位为N/m。实验证明，表面张力系数的大小与液体的种类、纯度、温度和它上方的气体成份有关，温度越高，液体中所含杂质越多，则表面张力系数越小。假设用金属均质圆环代替金属线段，圆环与水接触面为内外两个面，考虑一级近似，则公式（1）变为： （2）式中，F为液体表面张力，d1、d2分别为圆环的外径和内径，为液体表面张力系数。拉脱法实验将金属圆环浸入液体中，然后将其慢慢地拉出水面，此时在圆环表面附近的液面会产生一个沿着液面的切线方向的表面张力，由于表面张力的作用，金属圆环会带起一个水膜，水膜如（图三）所示。液体图三 表面的切线与加圆环表面之间的夹角称为接触角。将圆环慢慢拉出水面时，表面张力F的方向随液面的改变而改变，接触角逐渐趋向于零。因此，F的方向趋向于垂直向下。在液膜将要破裂前诸力平衡条件为： （3） 其中F|为将圆环拉出液面时所加的外力；mg为圆环和它所沾附水的总重量；F为液体表面张力。 由（2）、（3）式可知，表面张力系数公式为： （4） 高精度金属铂片式电阻应变传感器工作原理：高精度金属铂片式电阻应变传感器由弹性梁和贴在梁上的传感器金属铂片组成，其中金属铂片组成一个非平衡电桥。当金属悬梁臂上挂一重物时，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，输出电压大小与所加重物的重量成正比。即 UK （5） 式中，m为外加重量的大小，K为高精度金属铂片式力敏传感器的灵敏度，U为传感器输出电压的大小。四、实验内容与步骤：实验可分为必做部分和选做部分两大块：（一）必做部分1预热：开机，预热时间不少于15分钟。2调水平：调节测试台底部三个水平调节螺钉，使水平仪指示在中心位置。3环的测量与清洁：均质圆环的表面状况与测量结果有很大的关系。实验前应将金属圆环在酒精溶液中浸泡2030秒，然后用蒸馏水洗净凉干，此步骤可在预热时完成。4高精度金属铂片式电阻应变传感器的定标：每个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）旋转调零电位器，将仪器数显显示值调零。（2）将砝码盘挂在传感器梁外端的悬挂线上，记录此时的读数值。（3）在砝码盘加上砝码，分别使传感器受力为1g、2g、3g、4g、5g、6g、7g、8g，记录这些砝码重量m作用下，数字电压表相应的读数值U（注意：放砝码时请勿用手，一定要用镊子，以免给定标时增加误差）。（4）用逐差法求出传感器灵敏度K，也可用最小二乘法直线拟合求K值及拟合线性相关系数r。 5测量水的表面张力系数（1）将凉干后的金属圆环挂在传感器的悬挂线上。调节升降调节螺钉，将液体升至靠近圆环的下底部，均质圆环的底面应与水面平行，由于圆环是否与水面平行对实验结果有很大的影响，出厂前已经调试好，请勿用力拉扯，或将其折弯。（2）调节容器下的升降调节旋钮，使其渐渐上升，将圆环的底部全浸没水面。然后反向调节升降螺钉，使水面逐渐下降。这时，金属圆环和水面间形成一环形液膜，记录即将拉断水膜前一瞬间数字电压表读数值U1和水膜拉断后一瞬间数字电压表读数值U2。即有式： （6）做实验时可记录多组数据，求其平均数。（3）由（6）、（5）和（3）式可知，我们可以得出以下公式: （7）算出脱离力F的大小，即表面张力。（4）由公式（7）和（4）得， （8） 根据公式（8）求出液体的表面张力系数，并与标准值进行比较。（5）实验表格：NO.12345678910U1（mV）U2（mV）U（mV）(二)选做部分：可将待测液体换为酒精、乙醚、丙酮等在不同浓度时的表面张力系数。具体的操做步骤与测量水的液体表面张力一致。不再作详细介绍。五、实验报告（1）数据处理：1先对传感器定标，用逐差法求传感器灵敏度K值。2根据 算出液体表面张力。3根据公式 算出液体表面张力系数，与标准值进行比较。（2）参考公式：液体表面张力计算： 液体表面张力系数的计算：杭州地区重力加速度： g = 9.7936 m/s六、注意事项1实验中注意事项： 定标时，放砝码注意一定要用镊子，切勿用手。 均质圆环及吊绳在公司出厂之前已调试好，请勿用力拉扯或折弯。 实验时圆环表面光洁程度与实验有很大关系，请勿划伤或使其形变。 实验时如果用蒸馏水，要注意水的洁净度，否则会影响实验误差。 调节使水面下降时，应使其缓缓下降，下降时水面应保持静止，吊环也不可晃动，否则会增大实验误差。 做实验时间最好加防风罩，风和灰尘都会对实验有影响。2安全注意事项： 实验盛水的容器为玻璃器皿，一定要注意安全。 实验架其余部分均为金属部件，请注意安全，切勿用其玩耍。 注意用电安全。七、附表：水的表面张力系数的标准值：10-3/Nm 74.2273.49 72.75 71.97 71.18水的温度t/ 10 15 20 25 30八、参考文献1肖苏，任红实验物理教程安微：中国科学技术大学出版社，19982沈元华，陆申龙基础物理实验北京：高等教育出版社，20033郭新凯，张世昌，李占良热学长春：东北师范大学出版社1988THQZL-1型液体表面张力系数测量实验仪使用说明书一、技术指标1工作电源： AC220V10V2传感器量程： 010g3输出灵敏度： 10.80.2mV /g4测试用金属圆环：内径d1：32.6+0.1mm外径d2：35.0-0.1mm5电压表：量程：0199.9mV 精度：0.5%6定标专用小砝码：1g0.3mg 7实验平均相对误差: 3%二、实验仪器液体表面张力系数测量实验仪分为两部分：（一）实验仪部分：实验仪主要用于显示作用在传感器上力的大小及提供测试台工作电源，其面板如图（一）所示。由调零电位器、高精度电阻应变式传感器工作电源、数字电压表等组成。图一 实验仪面板结构图（二）测试台部分测试台主要用于液体表面张力的测量，其结构图如（图二）所示。其装置包括测试台底座、水平调节螺钉，水平仪、升降调节螺钉、支撑悬臂、导向悬臂、悬挂线、均质圆环、10g高精度电阻应变式传感器、支撑杆等组成。 图二 测试台结构图三、使用步骤：1预热：开机，预热时间不少于15分钟。2调水平：调节测试台底部三个水平调节螺丝，使水平仪指示在中心位置。3环的测量与清洁：均质圆环的表面状况与测量结果有很大的关系。实验前应将金属圆环在酒精溶液中浸泡2030秒，然后用净水洗净凉干，此步骤可在预热时完成。4高精度金属铂片式电阻应变传感器的定标：每个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）旋转调零电位器，将仪器数显显示值调零。（2）将砝码盘挂在传感器梁外端的悬挂线上，记录此时的读数值。（3）在砝码盘加上砝码，分别使传感器受力为1g、2g、3g、4g、5g、6g、7g、8g，记录这些砝码重量m作用下，数字电压表相应的读数值U（注意：放砝码时不可用手，一定要用镊子，以免定标时增大误差）。（4）用逐差法求出传感器灵敏度K，也可用最小二乘法拟合求K值及拟合线性相关系数r。 5测量水的表面张力系数： （1）将蒸馏水盛于玻璃器皿中，注意不要盛的太满，蒸馏水的高度在1/22/3之间然后将其放置于托盘之上。 （2）将凉干后的金属圆环挂在传感器的悬挂线上。调节升降调节螺钉，将液体升至靠近环的下底部，圆环的底面应与水平面平行，调节升降调节螺钉将托盘升至最高，视金属圆环下底部刚好浸没于水面之下便可，如浸入水面太深，可调节传感器高度。由于圆环是否与水面平行对实验结果有很大的影响，出厂前已经调试好，请勿用力拉扯，更不可将金属圆环或吊线折弯，以免增大实验误差。（3）罩上防护罩（另配）：使防护罩开口处与测试仪升降调节螺丝于同一位置。防护罩可起到防风、防尘等作用，减小实验误差。（4）调节升降调节旋钮，使其渐渐上升，将圆环的下沿部分全浸没水面。然后反向调节升降螺钉，使水面逐渐下降。这时，金属圆环底部和水面间形成一环形液膜，记录即将拉断水膜前一瞬间数字电压表读数值U1和水膜拉断后一瞬间数字电压表读数值U2。注意：调节使水面下降时，应使其缓缓下降，下降时水面应保持静止，吊环也不可晃动，否则会增大实验误差。四、注意事项：1实验中注意事项： 定标时，放砝码注意一定要用镊子，切勿用手。 均质圆环及吊绳在公司出厂之前已调试好，请勿用力拉扯或折弯。 实验时圆环表面光洁程度与实验有很大关系，请勿划伤或使其形变。 实验时如果用蒸馏水，要注意水的洁净度，否则会影响实验误差。 调节使水面下降时，应使其缓缓下降，下降时水面应保持静止，吊环也不可晃动，否则会增大实验误差。2