NaCl溶液液体表面张力系数与浓度的关系

大学物理创新性设计型实验大学物理创新性设计型实验 食品质量与安全 1 班 1138113 沈梦佳 氯化钠溶液液体表面张力系数与浓度的关系 小组成员 张理 沈梦佳 谢雨岑 陈其才 摘要摘要 钢针 硬币等物能飘在洁净的水表面 清晨小草叶上的露水通常收 缩成小球形状 这些现象表明 液体表面好比一层紧绷的薄膜 有自然收缩趋 势 从而导致表面张力现象 表面张力描述了液体表层附近分子力的宏观作用 液体的许多现象与表面张力有关 因此 研究液体表面张力系数与浓度的关系 可为各行业有关液体分子的分布和表面的结构提供有用的线索 引言引言 当液体和固体接触时 若固体和液体分子间的吸引力大于液体分子 间的吸引力 液体就会沿固体表面扩展 形成薄膜附着在固体上 这种现象叫 做浸润 若固体分子和液体分子间的吸引力小于液体分子间的吸引力 液体就 不会在固体表面扩展 不附着在固体表面 这种现象称为不浸润 浸润与不浸 润取决于液体 固体的性质 浸润性质与液体中杂质的含量 温度以及固体表 面清洁程度密切相关 表面张力是描述物体浸润性质的重要物理量 表面张力是指作用于液体表面上任意直线的两侧 垂直于该直线且平行于 液面 并使液体具有收缩倾向的一种力 从微观上看 表面张力是由于液体表 面层内分子作用的结果 可以用液体表面张力系数来定量的描述液体表面张力 的大小 设想在液面上作长为 L 的线段 在 L 的两侧 表面张力以拉力的形式 相互作用着 拉力的方向垂直于该线段 拉力的大小正比于 L 即 f L 式中 表示作用于线段单位长度上的表面张力 称为表面张力系数 其单位为 N m 液体表面张力的大小与液体成分有关 温度对液体表面张力影响极大 表 面张力随温度升高而减小 两者通常相当准确地成直线关系 所以在研究液体 表面张力系数与浓度的关系时 必须要控制环境温度不变 将表面洁净的铝合金吊环挂在测力计上并垂直浸入液体中 使液面下降 当吊环底面与液面平行或略高时 由于液体表面张力的作用 吊环的内 外壁 会带起液膜 在吊环临界脱离液体时 吊环重力 mg 向上拉力 F 与液体表面张力 f 忽 略带起的液膜的重量 满足 f F mg 而对于金属吊环 考虑一级近似 可认为表面张力系数乘上脱离表面的周 长 即 F D1 D2 式中 D1 为吊环外径 D2 为吊环内径 为液体表面张力系数 此时 实验中需要测出 F mg 及 D1 和 D2 本实验利用硅压阻力式力敏传感器测力 硅压阻力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 当外界电压作用于金属梁时 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 U KF 式中 F 为外力大小 K 为硅压阻力式力敏传感器的灵敏度 U 为传感器输出 电压的大小 实验时首先对硅压阻力式力敏传感器进行定标 然后求得传感器灵敏度 KV N 再测出吊环在即将拉脱液面时 F mg f 电压表读数 U1 拉脱后 F mg 数字电压表的读数 U2 式得 U1 U2 K D1 D2 实验仪器实验仪器 1 硅压阻力敏传感器装置一套 2 50ml 烧杯 2 个 3 玻璃棒 4 游标卡尺 5 电子天平 实验步骤实验步骤 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 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上挂上砝码盘 调节表面张力系数测定仪上的调零 旋钮 使数字电压表显示为零 3 在砝码盘上依次放置质量为 0 500g 的砝码 并记录在这些砝码力 F 的 作用下 数字电压表的读数 U 4 用最小二乘法作直线拟合 求出传感器灵敏度 K 2 环的测量与清洁 1 用游标卡尺测量金属圆环的内径 D1 外径 D2 2 环的表面状况与测量结果有很大关系 实验前应将金属环状片在 NaOH 溶液中浸泡 20 30min 然后用水洗净 3 测不同浓度 NaCl 溶液的表面张力系数 1 将金属环状吊片挂在传感器的小钩上 调节升降台 将蒸馏水升至靠近 环片的下沿 观察环状吊片下沿与待测液面是否平行 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 注意 吊环中心 玻璃皿中心最 好与转轴重合 2 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 测液体 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 成以环形液膜 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和液膜拉断后数字电压表读数值 U2 3 将实验数据代入公式 求出液体的表面张力系数 4 将蒸馏水换成不同浓度的 NaCl 溶液 重复上面的步骤 测出相应溶液 的表面张力系数 数据记录与讨论数据记录与讨论 温度 T 20 力敏传感器定标 物体质量 g mg 0 50 0 1 0001 5002 0002 5003 0003 500 输出电压 U mV 13 526 439 552 765 678 691 6 使用最小二乘法 n m 10 3kg m2 10 6kg2 V 10 3V m V 10 6kg V 10 5000 2513 56 75 21 000126 426 4 31 5002 2539 559 25 42 000452 7105 4 52 5006 2565 6164 63 000978 6235 4 73 50012 2591 6320 6 总计 1435367 9918 2 367 9 10 3 7A 14 10 3B 1 918 2 10 6 14 10 3A 35 10 6B 2 联立 1 2 解得 A 4 4 10 4 B 2 601 灵敏度 K 2 601 数据记录表 D1 3 310cm D2 3 496cm 第一次测量第二次测量第三次测量 浓度 g ml U1 m V U2 mV U mV U1 mV U2 mV U mV U1 m V U2 mV U mV U 平均 值 mV 表面 张力 系数 N m 042 60 232 442 20 242 041 50 142 442 00 0756 5 43 2 0 143 343 30 043 343 80 843 043 20 0775 10 44 40 144 344 60 244 544 30 244 144 30 0795 15 45 50 045 545 50 345 245 70 445 245 30 0813 20 46 90 446 546 40 146 345 8 0 346 146 30 0830 25 47 60 147 547 90 447 547 50 347 247 40 0849 30 48 40 248 248 50 148 448 50 248 348 30 0866 根据式 U1 U2 K D1 D2 计算出表面张力系数填入上表 通过描点画图得如下曲线 结论 NaCl 溶液液体表面张力系数与浓度呈线性关系 讨论及设想讨论及设想 本实验探究了 NaCl 溶液液体表面张力系数与浓度之间的关系 得出的结论 是成线性关系 我们有如下设想 一 通过用其他溶液进行实验 检验这种线 性关系是普遍适用还是只有 NaCl 才存在这种线性关系 二 实验要求对温度进 行控制 因此可以进行实验检验温度对液体表面张力的影响 三 我们实验刚 开始因对水的使用不严格 导致数据差距很大 后统一使用蒸馏水而改善了这 种状况 由此可以设想水中的杂质是否对液体表面张力系数有影响 实验感想实验感想 我们小组一开始从实验的选定就有很大分歧 其中又尝试了一个实验 却因此实验耗 时长 数据不稳定而放弃 选择研究液体表面张力系数一开始的目的是想要测市场上各类 牛奶的液体表面张力系数 想以此来区分牛奶的品质 但经过大量的资料查询 发现液体 表面张力系数受很多因素的影响 而牛奶中成分较多不好测量 后来一致同意研究不同浓 度的氯化钠溶液的表面张力系数 也得到了老师的肯定 因本实验需要严格控制氯化钠的浓度 而物理实验室没有相应的设备 因此在经得老 师的同意后 我们小组借了一套硅压阻力敏传感器装置到化学实验室进行实验 虽 然一切准备就绪 但没有了老师的指导 我们还是对此迷茫了 对这个从没看 到过的实验仪器 实在不知如何下手 后来只好边研究书本上对仪器的介绍 边摸索着尝试其使用 在终于弄懂该如何使用该仪器后 我们又对浓度梯度的 设定表示了疑惑 最后决定先定下 0 10 20 30 等值 若是数据没有规律 我们再分出更小的浓度梯度进行实验比较 直到此时 实验才算真正的能进行 下去 于是 我们马上行动起来 称量的赶紧去借电子天平称量 清洗仪器的马 上动手 然后配置浓度不同的氯化钠溶液 根据实验步骤一步一步一丝不苟地 执行下去 本来已经松一口气的我们 却发现需要记录的数据变化实在太快 稍微一眨眼就错失了最好的时机 没办法 我们只能一人控制仪器 其他三人 都盯着输出电压的变化 如果三人看到数据不统一 只好再一次的重复实验 就这样 我们对每个浓度就重复了四到六次实验 决定舍去误差最大的数据后 去平均值进行计算 但由于那天时间已经很晚 我们决定先回去处理数据 若 没有发现规律再抽时间来重新实验 但 庆幸的是 我们的努力没有白费 我 们不仅发现了规律 计算出的液体表面张力系数误差也不大 到此 实验最麻烦的部分已经完成 就差收尾工作了 我们四个不