華南農業(yè)大學物理實驗水表面張力的測量

1、實驗3-3液體外表張力系數(shù)的測量液體外表張力是表征液體物理性質的一個重要參量。 測量液體表 面張力系數(shù)常用的方法之一是拉脫法， 該方法的特點是：用稱量儀器 直接測量液體外表張力，測量方法直觀、概念清晰。由于用此方法液 體外表張力大約在1.0 io；i.o io，N/m 之間，因此需要有一種量程 范圍小、靈敏度高、而且穩(wěn)定性好的測力儀器，硅壓阻式力敏傳感器 測定儀正能滿足測量需要，它不僅靈敏度高、穩(wěn)定性好，而且可以用 數(shù)字信號顯示，便于計算機實時測量。一、實驗原理：1、液體外表張力系數(shù)：液體的外表，由于表層內分子力的作用，存在著一定張力，稱為外表 張力，正是這種外表張力的存在使液體的外表猶如張緊

2、的彈性模，有收縮的趨勢。設想在液面上有一條直線，外表張力就表現(xiàn)為直線兩旁 的液面以一定的拉力f相互作用。f存在于外表層，方向恒與直線垂 直，大小與直線的長度L成正比，即：f = ： L比例系數(shù)o稱為一條的外表張力系數(shù)，單位 N/m。它的大小與液體的 成分、純度以及溫度有關溫度升高時，。值減小。2、拉脫法測量液體外表張力系數(shù)：測量一個長度的金屬片從待測液體外表脫離時需要的力，從而求得外表張力系數(shù)的實驗方法稱為拉脫法。假設金屬片為環(huán)狀時，考慮一級近似，可以認為脫離力即：外表張力為外表張力系數(shù)乘以脫離外表的周長。即：f (D1 D2)得外表張力系數(shù):二UD2其中，f為拉脫力；DD2分別為圓環(huán)的外徑和

3、內徑；為液體外表 張力系數(shù)。3、力敏傳感器測量拉力的原理:硅壓阻力敏傳感器由彈性梁和貼在梁上的傳感器芯片組成，其中芯片由4個硅擴散電阻集成一個非平衡電橋。當外界壓力作用于金屬 梁時，電橋失去平衡，產(chǎn)生輸出信號，輸出電壓與所加外力成線性關 系，即：U 二K F其中，K為力敏傳感器的靈敏度(mV/N)，其大小與輸入的工作電11壓有關；F為所加的外力；U為輸出的電壓液體袤面張力系數(shù)(> 輸入mV ®冒kJ調零1底座及調節(jié)螺絲 2升降調節(jié)螺母 3培養(yǎng)皿 4金屬片狀圓環(huán)5硅壓阻式力敏傳感器及金屬外殼6數(shù)字電壓表圖2液體外表張力測量裝置對于本實驗裝置，工作原理如下：(1) 液膜被拉斷前：拉

4、斷前瞬間，v : 0 , cost : 1，即：F ： mg - f ；此時，數(shù)字電壓表示 數(shù)為U1,貝卩：f = mg f = *。2液膜被拉斷后瞬間：此時，數(shù)字電壓表示數(shù)為U2，那么:3液膜拉斷前后拉力變化:-F = (mg f) -mg = f又因為f = : r:(D1 D2)所以AUK 二(DD2)注：實驗說明，當金屬環(huán)直徑在 3cm附近、而且金屬環(huán)和液體的接觸角近似為0時，運用上述公式計算各種液體的外表張力系數(shù)的 結果較為正確。實驗任務與要求:1、力敏傳感器的定標，求出靈敏度 K ；2、測量待測液體純水、乙醇、丙三醇的外表張力系數(shù);3、研究外表張力系數(shù)隨液體的濃度變化規(guī)律；選做三、

5、實驗步驟：1、力敏傳感器的定標：1接通電源，將儀器預熱15分鐘；2在傳感器橫梁端的小鉤上掛上砝碼盤，調節(jié)調零旋鈕電子組合儀上的補償電壓旋鈕使數(shù)字電壓表示數(shù)為零注意：調零后此旋鈕不能再動；3在砝碼盤中分別參加等質量 mi 每個砝碼0.0005kg的砝 碼，記錄對應質量下的電壓表讀書 U*填入表1；4用作圖法或其它雙變量數(shù)據(jù)處理方法做直線擬合，求出傳感器靈敏度K ；2、測量液體外表張力系數(shù)：1用游標卡尺測量金屬環(huán)的外徑 D1、內徑D2 ；2將金屬環(huán)吊片在NaOH溶液中浸泡20-30秒，然后用清水 洗凈因為環(huán)外表狀況與測量結果有很大關系；3將金屬環(huán)吊片掛在傳感器的小鉤上，調節(jié)升降臺將液體升 至靠近金

6、屬環(huán)下沿，觀察金屬環(huán)下沿與待測液面是否平行。如果不平 行，將金屬環(huán)取下，調節(jié)環(huán)片上的細絲，使之與液面平行偏差增加1度，測量誤差將增加0.5%;4調節(jié)玻璃皿下的升降臺，使環(huán)片下沿全部浸入待測液體中， 然后反向勻速下降升降臺，使金屬環(huán)片與液面間形成一個環(huán)狀液膜。 繼續(xù)下降液面，觀察電壓表讀數(shù)，測量出液膜拉斷前后瞬間電壓值 U1、U2記錄在表格中；5重復測量U1、U2各8次；6將數(shù)據(jù)帶入液體外表張力系數(shù)公式，求出待測液體在某溫度下的外表張力系數(shù)，并對結果做出評價亦可與標準值進行比擬；7整理儀器;四、數(shù)據(jù)記錄:(1)力敏傳感器的定標:(2)金屬圓環(huán)的內外徑和水外表張力系數(shù)的測量(內徑：D1=0.034

7、75m 外徑：D2=0.03325m)0.068根據(jù)以上數(shù)據(jù)，代入計算公式得到測量次數(shù)U1/mVU2/mVAU /mVf/10 -3Nd10-3N/m1140.795.745.014.3312167.118822140.995.845.114.3630667.267973140.696.144.514.1719766.373054140.195.944.214.0764365.92565140.796.144.614.2038266.522216139.796.043.713.917265.17983平均值 a二U1-U2 /B n D1+D2 】=66.39791(22 2 2Uv1 Uv2 (Uk)2 Ud1 Ud；0.000250345(Vi -V2)2 k(Di D2)2修約后的U a=0.0002得到張力系數(shù)最終結果為a =(66.4± 0.2)*103 N/m五、思考與總結：(1)吊環(huán)剛剛接觸水面時，電壓讀數(shù)會躍變至一個較大值，然后在慢慢變小。因為在剛剛接觸水外表時，水和吊環(huán)產(chǎn)生了浸潤的現(xiàn)象，在吊環(huán)壁產(chǎn)生了一圈水膜，此時即存在張力，表現(xiàn)為對 吊環(huán)向下的拉力，所以吊環(huán)剛剛接觸水面時，傳感器所受拉力 會突然變大。(2)引起誤差的原因會有一下幾點：1. 定標時砝碼盤搖晃，會使傳感器受到大于砝碼盤(含砝