試驗九-液體表面張力系數(shù)的測定

1、實驗九液體表面張力系數(shù)的測定液體的表面張力是表征液體性質的一個重要參數(shù).測量液體的表面張力系數(shù)有多種方法，拉脫法是測量液體表面張力系數(shù)常用的方法之一 .該方法的特點是，用秤量儀器直接測量液 體的表面張力，測量方法直觀，概念清楚.用拉脫法測量液體表面張力，對測量力的儀器要 求較高，由于用拉脫法測量液體表面的張力約在 1X10-31X10-2 N之間，因此需要有一種量 程范圍較小，靈敏度高，且穩(wěn)定性好的測量力的儀器.近年來，新發(fā)展的硅壓阻式力敏傳感 器張力測定儀正好能滿足測量液體表面張力的需要，它比傳統(tǒng)的焦利秤、扭秤等靈敏度高， 穩(wěn)定性好，且可數(shù)字信號顯示，利于計算機實時測量，為了能對各類液體的表

2、面張力系數(shù)的 不同有深刻的理解，在對水進行測量以后，再對不同濃度的酒精溶液進行測量，這樣可以明 顯觀察到表面張力系數(shù)隨液體濃度的變化而變化的現(xiàn)象，從而對這個概念加深理解。 實驗目的.用拉脫法測量室溫下液體的表面張力系數(shù).學習力敏傳感器的定標方法 實驗儀器DH607液體表面張力系數(shù)的測定儀，吊環(huán)，整碼盤，整碼，鑲子，玻璃器皿 實驗原理測量一個已知周長的金屬片從待測液體表面脫離時需要的力，求得該液體表面張力系數(shù) 的實驗方法稱為拉脫法.若金屬片為環(huán)狀吊片時，考慮一級近似，可以認為脫離力為表面張 力系數(shù)乘上脫離表面的周長，即f =E(D1 +D2)(1)式中，f為脫離力，D1, D2分別為圓環(huán)的外徑和

3、內徑，每為液體的表面張力系數(shù).測量金屬 片從待測液體表面脫離時需要的力 f ,對金屬環(huán)進行受力分析，液膜拉斷之前金屬環(huán)的受力 表達式為：F = mg f cos-式中:F為向上的拉力，mg為金屬環(huán)的重力，f為液體的表面張力，日為f與豎直方向的夾角。液膜拉斷瞬間，日=00, F = mg + f。液膜拉斷后有F = mg ,則f = F - mg (2)F可由硅壓阻式力敏傳感器測出，是此實驗的關鍵。硅壓阻式力敏傳感器由彈性梁-1 -和貼在梁上的傳感器芯片組成，其中芯片由四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，在壓力作用下，電橋失去平衡，此時將有電壓信號輸出，所加外力與輸 出

4、電壓大小成正此，即U= K F (3)式中，F(xiàn)為外力的大小，K為硅壓阻式力敏傳感器的靈敏度，U為傳感器輸出電壓的大 小。液膜拉斷瞬間，Ui = KF = K(mg + f)；液膜拉斷后有U2 = KF，= Kmg ,則.(Ui -U2)f 二K6液體的表面張力系數(shù)：6 = U1U2(5)K二(D1 D2)圖9-1金屬環(huán)拉出液面后切面圖實驗裝置圖9-2為實驗裝置圖，它包括硅擴散電阻非平衡電橋的電源和測量電橋失去平衡時輸出 電壓大小的數(shù)字電壓表.其他裝置包括鐵架臺、微調升降臺、力敏傳感器、玻璃器皿和吊環(huán)。圖9-2液體表面張力測定裝置實驗步驟與內容1、力敏傳感器的定標每個力敏傳感器的靈敏度都有所不同

5、，在實驗前，應先將其定標，步驟如下：(1)打開儀器的電源開關，將儀器預熱。(2)在傳感器梁端頭小鉤中，掛上整碼盤，調節(jié)電子組合儀上的補償電壓旋鈕，使數(shù)字電 壓表顯小為零0(3)在整碼盤上分別為 0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g、3.5g等質量的整碼，記錄相 應數(shù)字電壓表的讀數(shù)值U.(4)用最小二乘法作直線擬合，求出傳感器靈敏度K.2、環(huán)的測量與清潔(1)用游標卡尺測量金屬圓環(huán)的外徑 D1和內徑D2(2)環(huán)的表面狀況與測量結果有很大的關系，實驗前應將金屬吊環(huán)浸泡在NaOH溶液中20-30秒，然后用凈水洗凈。3、液體的表面張力系數(shù)(1)將金屬吊環(huán)掛在傳感器的小鉤上，調節(jié)升

6、降臺，將液體升至靠近環(huán)片的下沿，觀察環(huán) 狀吊片下沿與待測液面是否平行，如果不平行，將金屬環(huán)狀片取下后，調節(jié)吊環(huán)上的細絲， 使吊環(huán)與待測液面平行。(2)調節(jié)容器下的升降臺，使其漸漸上升，將環(huán)片的下沿部分全部浸沒于待測液體，然后 反向調節(jié)升降臺，使液面逐漸下降，這時，金屬環(huán)片和液面間形成一個環(huán)形液膜，繼續(xù)下降 液面，測出環(huán)形液膜即將拉斷前一瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)值U1和液膜拉斷后一瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)值U2o(3)將實驗數(shù)據(jù)代人公式(5),求出液體的表面張力系數(shù)，并與標準值進行比較。(4)注意事項：實驗前應對吊環(huán)作凈化處理，吊環(huán)下邊沿與待測液面平行，操作時動作要 平穩(wěn)連續(xù)，減少振動，但操作不宜過慢。(5

7、)水的表面張力系數(shù)的標準值：水的溫度t/C1015202530&ax (N.m-1)0.074220.073220.072750.071970.071184選做部分測出其他待測液體，如酒精、乙醴、丙酮等在不同濃泄勁時的表面張力系數(shù)。5實驗數(shù)據(jù)和處理方法(1)傳感器靈敏度定標的數(shù)據(jù)和處理方法-3 -定標數(shù)據(jù)處理方法一：如表9-1次數(shù)0(初始)i234567祛碼 mi (g)0電壓Ui (mV)n-(Ui -Uo) (U2-Ui)(Uii -Ui)!i OK 二nn、(mi -mo) (m2 - mi) - -(mi i -mi)i On定標數(shù)據(jù)處理方法二：(作圖法)學生自己設計定標數(shù)據(jù)處理方法三

8、：(逐差法)學生自己設計定標數(shù)據(jù)處理方法四：(最小二乘法)如表9-2次數(shù)mi(g)初始讀數(shù) (Uo)Ui(mV)y i =(U i- U 0) (mV)2 mi2 yimi yi = y -a -Kf2i0.52i3i.54252.56373.5平均值2-一元線性回歸法求線性相關系數(shù)與靈敏度，一元線性回歸是處理兩個具有線性關系的變 量之間的關系的一種方法，通過數(shù)據(jù)分析找到二者之間的函數(shù)關系。本實驗中這兩個變量為m和U, 一元線性回歸方程的形式可以寫為：y = a + Km(y對應變量U)對于y和m相應測量了 n次，測定方程有n個，即：yi = a + Kmi (i=i,2，,n)y =5 -U

9、o,表示從回歸直線上取得與 mi對應的計算值；a是擬合直線的截距，K是擬合直線的斜率，又稱為靈敏度m =1” mi , n擬合的線性相關系數(shù)：- i V y 二一nyi,2 mimi yi，rn yinr =mi Yi -m y;(m2 -m2)(y2 -y2)2mi yi m - y mm y - mi yi 一 . . 、2靈敏度的估計值為：K=（重力加速度g = 9.794m，s ） m -m回歸直線靈敏度K的不確定度:u(K)= s(K)= U(y)n 2 1 n2 m2 - (% mi)2i i n ix (yi - a - Kmi)2，其中 u(y)=s(y) 1n 2靈敏度K結果

10、:K - K -u(K)u(K)100%2）水的表面張力系數(shù)的數(shù)據(jù)和處理方法金屬環(huán)外徑 Di= 3.496 cm,內彳至D2= 3.310 cm溫度t= C, 濕度 表9-3編RU1 (mV)U2 (mV)U(mV)d (N.m-1)123456789- U0 =表面張力系數(shù)的估計值:1U = Uin各參量的A類不確定度K二(D1 D2)( ：Ui T；U)2 a(JU)土n -1V (D2i -D2)2i- : 0.001cmn -1u(c.)=二a(AU) ：2 u(K) i +Ua(Di) H 而J J 、 5；UA ( D2 )D2I AU )I D2,(Dii - Di)2Ua(Di)=i-= 0.001cm, Ua(D2)=， n -1各參量的B類不確定度0.1mV0.02