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文檔簡介
1、液體表面張力系數(shù)的測量【實驗?zāi)康摹?、 掌握用祛碼對硅壓阻式力敏傳感器定標(biāo)的方法, 并計算該傳感 器的靈敏度2、 了解拉脫法測液體表面張力系數(shù)測定儀的結(jié)構(gòu)、 測量原理和使用方法,并用它測量純水表面張力系數(shù)。3、 觀察拉脫法測量液體表面張力系數(shù)的物理過程和物理現(xiàn)象,并 用物理學(xué)概念和定律進行分析研究,加深對物理規(guī)律的認(rèn)識4、 掌握讀數(shù)顯微鏡的結(jié)構(gòu)、原理及使用方法,學(xué)會用毛細(xì)管測定 液體的表面張力系數(shù)。5、 利用現(xiàn)有的儀器,綜合應(yīng)用物理知識,自行設(shè)計新的實驗內(nèi)容。 【實驗原理】一、拉脫法測量液體的表面張力系數(shù)把金屬片彎成如圖1 (a)所示的圓環(huán)狀,并將該圓環(huán)吊掛在靈 敏的測力計上,如圖1 (b)所
2、示,然后把它浸到待測液體中。當(dāng)緩 緩提起測力計(或降低盛液體的器皿)時,金屬圓環(huán)就會拉出一層 與液體相連的液膜,由于表面張力的作用,測力計的讀數(shù)逐漸達到 一個最大值F (當(dāng)超過此值時,液膜即破裂),則F應(yīng)是金屬圓環(huán) 重力mg與液膜拉引金屬圓環(huán)的表面張力之和。由于液膜有兩個表 面,若每個表面的力為f =a l (L為圓形液膜的周長),則有(2)(3)F = mg+2s L所以F - mg2L圓形液膜的周長L與金屬圓環(huán)的平均周長L,相當(dāng),若圓環(huán)的內(nèi)、外直 徑分別為Di,D2。則圓形液膜的周長(4)L=L'+(D+D2) /2將(4)式代入(3)式得s =F - mgp (D1-D2)(5)
3、硅壓阻式力敏傳感器由彈性梁和貼在梁上的傳感器芯片組成,其中芯片由四個硅擴散電阻集成一個非平衡電橋。當(dāng)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(6)出,輸出電壓大小與所加外力成正比。即 DU = KDF式中,AF為外力的大??;K為硅壓阻式力敏傳感器的靈敏度, 單位為V/N ; U為傳感器輸出電壓的大小。二、毛細(xì)管升高法測液體的表面張力系數(shù)1 一只兩端開口的均勻細(xì)管(稱為毛細(xì)管)插入液體,當(dāng)液體 與該管潤濕且接觸角小于90°時,液體會在管內(nèi)上升一定高度。而 當(dāng)接觸角大于90°時,液體在管內(nèi)就會下降。這種現(xiàn)象被稱為毛細(xì) 現(xiàn)象。本實驗研究玻璃毛細(xì)管插
4、入水中的情形。 如圖2所示,f為 表面張力,其方向沿著凹球面的切線方向,大小為f =& is,其中r為毛細(xì)管的內(nèi)孔半徑。設(shè)為接觸角(與液體和管壁材料的性質(zhì)有 面的部關(guān)),凹球面的半徑為R ,由圖2可知cos =-,由表面張R力產(chǎn)生的、垂直向上提高液面的力為fcoS ,若忽略h上分液體的重 量,則這個力與毛細(xì)管中高為h的液柱重量平衡,即pis _ 22)s cos =p r r gh_ rr gh _ R gh所以s =2cj = k式p中為液體的密度,g為重力加速度。如果玻璃管壁和水都非常清凈,則j =0,R=r,而(8)而式變?yōu)閞r ghr =在推導(dǎo)公式(9)時,忽略了毛細(xì)管中凹球面
5、下端與上端之間液 體的重量,為了得到更精確的計算公式,必須考慮這部分液體的重 量。該部分液體的體積約等于半徑為 r、高也為r的圓柱體體積和3 2 3 13半徑為r的球體積的一半N差,即pr - 3pr =才,故忽略的減體 重量為1p r3r g。當(dāng)考慮這部分液體重量后,可得1 疆r1霉ds =-rrg或+=-crg二氟+一(10)2 > 34秒 6(10)由上式可知,只要測出毛細(xì)管的內(nèi)徑d和上升的液柱高h,就 可算出表面張力系數(shù)(T。【實驗儀器】1、表面張力系數(shù)測定儀,如圖3所示,包括硅擴散電阻非平衡電橋 的電源和測電橋失去平衡時輸出電壓大小的數(shù)字電壓表、鐵架臺、微調(diào)升降臺、裝有力敏傳感
6、器的固定桿、盛液體的玻璃器皿一套、 鋁合金圓形吊環(huán)一個、0.500g 祛碼七只(定標(biāo)用),其它儀器包 括鐐子(取祛碼、祛碼盤和掛吊環(huán)用),待測液體水,燒杯,溫度 計等。2、讀數(shù)顯微鏡,玻璃毛細(xì)管?!緦嶒瀮?nèi)容】一、 :拉脫法測水表面張力系數(shù)1、實驗準(zhǔn)備( 1)連線后接通主機電源,開機預(yù)熱。( 2)調(diào)節(jié)鐵架臺上的三個水平調(diào)節(jié)螺絲,使鐵架臺水平。( 3)清洗玻璃器皿( 4)預(yù)熱15 分鐘后,可對力敏傳感器定標(biāo)。2、硅壓阻力敏傳感器定標(biāo)( 1)將砝碼盤掛在力敏傳感器的掛鉤上。( 2)將數(shù)字電壓表調(diào)零。( 3)依次加入0.500g 的砝碼,待穩(wěn)定后記下電壓表讀數(shù)。注意放砝碼時應(yīng)盡量輕。每次增加 0.50
7、0g 砝碼,待穩(wěn)定后記下電壓表讀數(shù)Ui (i =1 , 2, 8)。3、水表面張力系數(shù)的測量( 1)將砝碼盤取下來換上吊環(huán),使吊環(huán)平面成水平狀態(tài)。( 2)在玻璃器皿內(nèi)放入被測液體并安放在升降臺上。( 3)在測定液體表面張力系數(shù)過程中,可觀察到液體產(chǎn)生的浮力與張力的情況與現(xiàn)象,以順時針轉(zhuǎn)動升降臺大螺帽時液體液面上升,當(dāng)?shù)醐h(huán)下沿部分均浸入液體中時,改為逆時針轉(zhuǎn)動該螺帽, 這時液面往下降(或者說相對吊環(huán)往上提拉),觀察環(huán)浸入液體中 及從液體中拉起時的物理過程和現(xiàn)象。特別應(yīng)注意吊環(huán)即將拉斷 液膜前一瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)值為 U,拉斷時瞬間數(shù)字電壓表讀 數(shù)為以。記下這兩個數(shù)值,這時DU =U1-U2.重復(fù)
8、測量6次。二、毛細(xì)管升高法測表面張力系數(shù)1、將燒杯裝入適量純水后放在支架上,將洗凈烘干的毛細(xì)管插入液 體中,使之鉛直,可見到液體將沿毛細(xì)管上升到一定高度。2、調(diào)節(jié)望遠鏡焦距,使看清被測毛細(xì)管,在上下慢慢移動顯微鏡, 使望遠鏡中十字叉絲的水平線與毛細(xì)管中液體凹面的下沿相切, 記下該讀數(shù),然后移動顯微鏡使十字叉絲的水平線與玻璃器皿中 液體凹面的下沿相切,再記下該讀數(shù),兩讀數(shù)之差即為液柱高h 重復(fù)測量5次,將所得數(shù)據(jù)記入表格中。3、將毛細(xì)管取出平放在木盒上,對準(zhǔn)顯微鏡筒調(diào)節(jié)焦距,直至觀察 到清晰的毛細(xì)管圓孔圖像,測出內(nèi)徑 d,轉(zhuǎn)動毛細(xì)管,放在不同 的方位測五次,將所得數(shù)據(jù)記入表格中?!緮?shù)據(jù)處理】1、 硅壓阻力敏傳感器定標(biāo)表1力敏傳感器定標(biāo)次數(shù)祛碼重(g)傳感器增重傳感器減重平土勻m mv)讀數(shù)(mv)讀數(shù)(mV102345678用最小二乘法擬合得得儀器的靈敏度K,并求得線Ii相關(guān)系數(shù)r2、 純水液體表面張力系數(shù)的測量表2純水的表面張力系數(shù)測量 (水的溫度T = 25 C)次數(shù)U1 (mV)U2 (mV) U (mV)f (N)123456根據(jù)公式計算在室溫下純水的表面張力系數(shù)。然后與標(biāo)準(zhǔn)值相比較,求出
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