液体表面张力系数测定实验报告

1 液体表面张力系数的测量液体表面张力系数的测量 实验目的 1 掌握用砝码对硅压阻式力敏传感器定标的方法 并计算该传 感器的灵敏度 2 了解拉脱法测液体表面张力系数测定仪的结构 测量原理和 使用方法 并用它测量纯水表面张力系数 3 观察拉脱法测量液体表面张力系数的物理过程和物理现象 并用物理学概念和定律进行分析研究 加深对物理规律的认 识 4 掌握读数显微镜的结构 原理及使用方法 学会用毛细管测 定液体的表面张力系数 5 利用现有的仪器 综合应用物理知识 自行设计新的实验内 容 实验原理 一 拉脱法测量液体的表面张力系数 把金属片弯成如图 1 a 所示的圆环状 并将该圆环吊挂在 灵敏的测力计上 如图 1 b 所示 然后把它浸到待测液体中 当缓缓提起测力计 或降低盛液体的器皿 时 金属圆环就会拉出 一层与液体相连的液膜 由于表面张力的作用 测力计的读数逐渐 达到一个最大值 F 当超过此值时 液膜即破裂 则 F 应是金属 圆环重力 mg 与液膜拉引金属圆环的表面张力之和 由于液膜有 两个表面 若每个表面的力为 为圆形液膜的周长 则fL L 有 2 2FmgL 所以 3 2 Fmg L 2 圆形液膜的周长 L 与金属圆环的平均周长相当 若圆环的内 外 L 直径分别为 则圆形液膜的周长 1 2 D D L L D1 D2 2 4 将 4 式代入 3 式得 12 Fmg DD 5 硅压阻式力敏传感器由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成 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 于金属梁时 在压力作用下 电桥失去平衡 此时将有电压信号输 出 输出电压大小与所加外力成正比 即 UKF 6 式中 F 为外力的大小 K 为硅压阻式力敏传感器的灵敏 度 单位为 V N U 为传感器输出电压的大小 二 毛细管升高法测液体的表面张力系数 1 一只两端开口的均匀细管 称为毛细管 插入液体 当液体 与该管润湿且接触角小于 90 时 液体会在管内上升一定高度 3 而当接触角大于 90 时 液体在管内就会下降 这种现象被称为 毛细现象 本实验研究玻璃毛细管插入水中的情形 如图 2 所示 为表面张力 其方向沿着凹球面的切线方向 大小为 f2fr 其中 为毛细管的内孔半径 设 为接触角 与液体和管壁材料的r 性质有面的部关 凹球面的半径为 由图 2 可知 由Rcos r R 表面张力产生的 垂直向上提高液面的力为 若忽略 上分cosf h 液体的重量 则这个力与毛细管中高为 的液柱重量平衡 即 h 2 2 2 2cos r rgh R 7 所以 2cos2 r ghR gh 8 式 中为液体的密度 为重力加速度 g 如果玻璃管壁和水都非常清净 则 而 8 而式变为0 Rr 4 9 2 rgh 在推导公式 9 时 忽略了毛细管中凹球面下端与上端之间 液体的重量 为了得到更精确的计算公式 必须考虑这部分液体的 重量 该部分液体的体积约等于半径为 r 高也为 r 的圆柱体体积 和半径为 r 的球体积的一半之差 即 故忽略的液 333 21 33 rrr 体重量为 当考虑这部分液体重量后 可得 3 1 3 rg 10 11 2346 rd r g hd g h 由上式可知 只要测出毛细管的内径 d 和上升的液柱高 h 就可算出表面张力系数 实验仪器 1 表面张力系数测定仪 如图 3 所示 包括硅扩散电阻非平衡电 桥的电源和测电桥失去平衡时输出电压大小的数字电压表 铁架 台 微调升降台 装有力敏传感器的固定杆 盛液体的玻璃器皿 一套 铝合金圆形吊环一个 0 500g 砝码七只 定标用 其 它仪器包括镊子 取砝码 砝码盘和挂吊环用 待测液体水 烧杯 温度计等 2 读数显微镜 玻璃毛细管 5 实验内容 一 拉脱法测水表面张力系数 1 实验准备 1 连线后接通主机电源 开机预热 2 调节铁架台上的三个水平调节螺丝 使铁架台水平 3 清洗玻璃器皿 4 预热 15 分钟后 可对力敏传感器定标 2 硅压阻力敏传感器定标 1 将砝码盘挂在力敏传感器的挂钩上 2 将数字电压表调零 3 依次加入 0 500g 的砝码 待稳定后记下电压表读数 注 意放砝码时应尽量轻 每次增加 0 500g 砝码 待稳定后 记下电压表读数 Ui i 1 2 8 3 水表面张力系数的测量 1 将砝码盘取下来换上吊环 使吊环平面成水平状态 2 在玻璃器皿内放入被测液体并安放在升降台上 6 3 在测定液体表面张力系数过程中 可观察到液体产生的浮 力与张力的情况与现象 以顺时针转动升降台大螺帽时液体液面 上升 当吊环下沿部分均浸入液体中时 改为逆时针转动该螺帽 这时液面往下降 或者说相对吊环往上提拉 观察环浸入液体中 及从液体中拉起时的物理过程和现象 特别应注意吊环即将拉断 液膜前一瞬间数字电压表读数值为 U1 拉断时瞬间数字电压表 读数为 U2 记下这两个数值 这时 重复测量 6 次 12 UUU 二 毛细管升高法测表面张力系数 1 将烧杯装入适量纯水后放在支架上 将洗净烘干的毛细管插入液 体中 使之铅直 可见到液体将沿毛细管上升到一定高度 2 调节望远镜焦距 使看清被测毛细管 在上下慢慢移动显微镜 使望远镜中十字叉丝的水平线与毛细管中液体凹面的下沿相切 记下该读数 然后移动显微镜使十字叉丝的水平线与玻璃器皿中 液体凹面的下沿相切 再记下该读数 两读数之差即为液柱高 h 重复测量 5 次 将所得数据记入表格中 3 将毛细管取出平放在木盒上 对准显微镜筒调节焦距 直至观察 到清晰的毛细管圆孔图像 测出内径 d 转动毛细管 放在不同 的方位测五次 将所得数据记入表格中 数据处理 1 硅压阻力敏传感器定标 7 表 1 力敏传感器定标 次数砝码重 g 传感器增重 读数 mv 传感器减重 读数 mv 平均 mv 10 20 500 31 000 41 500 52 000 62 500 73 000 83 500 用最小二乘法拟合得得仪器的灵敏度 K 并求得线性相关系数 r 2 纯水液体表面张力系数的测量 表 2 纯水的表面张力系数测量 水的温度 T 25 次数U1 mv U2 mv U mv f N 1 2 3 4 8 5 6 根据公式计算在室温下纯水的表面张力系数 然后与标准值相比 较 求出相对不确定度并写