1《液體表面張力系數(shù)的測量》教案(專業(yè)物理)

PAGEPAGE1《液體表面張力系數(shù)的測量》教案（專業(yè)物理）——遼寧科技大學(xué)理學(xué)院實驗中心周次9-12教學(xué)對象物理本科專業(yè)課時3備注實驗名稱液體表面張力系數(shù)的測量教學(xué)目的1、了解硅壓阻式力敏傳感器的測量原理，以及用傳感器將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的方法；2、掌握用拉脫法測量液體表面張力系數(shù)；3、學(xué)會雙變量數(shù)據(jù)處理方法；重點拉脫法測量原理；難點電壓讀數(shù)位置；關(guān)鍵點受力分析；教學(xué)方法講授法、啟發(fā)式；教學(xué)器材FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測定儀；數(shù)字式毫伏表；游標卡尺；溫度計；砝碼（10）；氫氧化鈉溶液；純水（或乙醇、丙三醇等）；教學(xué)過程教學(xué)內(nèi)容時間分配<課前預(yù)習>主要檢查預(yù)習報告內(nèi)容是否完整，數(shù)據(jù)表格是否符合要求。5<復(fù)習提問>5<引入新課>液體表面張力是表征液體物理性質(zhì)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表面張力，測量方法直觀、概念清晰。由于用此方法液體表面張力大約在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。今天我們就共同來學(xué)習拉脫法測量液體表面張力系數(shù)。2<新課講授>一、實驗原理：1、液體表面張力系數(shù)：圖1液體表面張力示意圖液體的表面，由于表層內(nèi)分子力的作用，存在著一定張力，稱為表面張力，正是這種表面張力的存在使液體的表面猶如張緊的彈性模，有收縮的趨勢。設(shè)想在液面上有一條直線，表面張力就表現(xiàn)為直線兩旁的液面以一定的拉力f相互作用。f存在于表面層，方向恒與直線垂直，大小與直線的長度L成正比，即：比例系數(shù)α稱為一條的表面張力系數(shù)，單位N/m。它的大小與液體的成分、純度以及溫度有關(guān)（溫度升高時，α值減?。?。2、拉脫法測量液體表面張力系數(shù)：測量一個已知長度的金屬片從待測液體表面脫離時需要的力，從而求得表面張力系數(shù)的實驗方法稱為拉脫法。若金屬片為環(huán)狀時，考慮一級近似，可以認為脫離力（即：表面張力）為表面張力系數(shù)乘以脫離表面的周長。即：得表面張力系數(shù)：其中，f為拉脫力；D1、D2分別為圓環(huán)的外徑和內(nèi)徑；а為液體表面張力系數(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(guān)系，即：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壓有關(guān)；F為所加的外力；U為輸出的電壓。1.底座及調(diào)節(jié)螺絲2.升降調(diào)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液體表面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：拉斷前瞬間，，，即：；此時，數(shù)字電壓表示數(shù)為U1，則：。（2）液膜被拉斷后（瞬間）：此時，數(shù)字電壓表示數(shù)為U2，則：。（3）液膜拉斷前后拉力變化：又因為所以注：實驗表明，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表面張力系數(shù)的結(jié)果較為正確。二、實驗任務(wù)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）的表面張力系數(shù)；3、研究表面張力系數(shù)隨液體的濃度變化規(guī)律；（選做）三、實驗步驟：1、力敏傳感器的定標：（1）接通電源，將儀器預(yù)熱15分鐘；（2）在傳感器橫梁端的小鉤上掛上砝碼盤，調(diào)節(jié)調(diào)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(diào)零后此旋鈕不能再動）；（3）在砝碼盤中分別加入等質(zhì)量mi（每個砝碼0.0005kg）的砝碼，記錄對應(yīng)質(zhì)量下的電壓表讀書Ui，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、測量液體表面張力系數(shù)：（1）用游標卡尺測量金屬環(huán)的外徑D1、內(nèi)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)表面狀況與測量結(jié)果有很大關(guān)系）；（3）將金屬環(huán)吊片掛在傳感器的小鉤上，調(diào)節(jié)升降臺將液體升至靠近金屬環(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(diào)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(diào)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(fù)測量U1、U2各8次；（6）將數(shù)據(jù)帶入液體表面張力系數(shù)公式，求出待測液體在某溫度下的表面張力系數(shù)，并對結(jié)果做出評價（亦可與標準值進行比較）；（7）整理儀器；3、研究表面張力系數(shù)隨液體的濃度變化規(guī)律（選做）：四、數(shù)據(jù)記錄：表1力敏傳感器的定標次數(shù)1234567m/kg0.00050.00100.00150.00200.00250.00300.0035U/mv表2金屬環(huán)的外徑D1和內(nèi)徑D2次數(shù)12345D1/mD2/m表3液體（純水）表面張力系數(shù)的測量數(shù)據(jù)次數(shù)12345678U1/mVU2/mV/mV溫度標準值五、數(shù)據(jù)處理：1、力敏傳感器的定標（作圖法）：（1）中值點：P（，）（2）取點：M1（，）、M2（，）（3）靈敏度K：mV/gmV/N2、金屬環(huán)內(nèi)、外徑的數(shù)據(jù)處理：（選做）（1）mm（2）mm（3）m（4）mm3、液體表面張力系數(shù)的數(shù)據(jù)處理：N/mN/m％N/mN/m25<課堂小結(jié)>本節(jié)課主要使學(xué)生理解測量方法和原理；2<鞏固練習>思考與討論：1、實驗前為什么要對力敏傳感器定標？2、定標后能否再調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕，為什么？3、實驗前為什么要對金屬環(huán)進行清潔？4<布置作業(yè)>1、2、撰寫實驗報告。2<學(xué)生操作>教師個別指導(dǎo)；105<板書設(shè)計><參考文獻>[1]李明等.大學(xué)物理實驗教程[M].浙江大學(xué)出版社,2004