大學物理實驗-表面張力系數

大學物理實驗報告題目：液體外表張力系數的測定專業(yè)班次：姓名：日期：2023-10-14實驗名稱液體外表張力系數的測定實驗任務(1)用砝碼對硅壓阻力敏傳感器進行定標，計算該傳感器的靈敏度，學習傳感器的定標方法。(2)觀察拉脫法測液體外表張力的物理過程和物理現象，并用物理學根本概念和定律進行分析和研究，加深對物理規(guī)律的認識。測量室溫下水的外表張力系數。實驗儀器液體外表張力系數測定儀、垂直調節(jié)臺、硅壓阻力敏傳感器、鋁合金吊環(huán)、吊盤、砝碼、玻璃皿、鑷子和游標卡尺。實驗原理硅壓阻力敏傳感器的靈敏度當傳感器的力臂發(fā)生形變時，硅力敏傳感芯片就會把這一形變轉變成電壓值，有數字電壓表顯示出來。在彈性范圍內，力臂的形變與掛鉤所受的力成正比，而硅力敏傳感芯片的輸出電壓與力臂的形變成正比；也就是說傳感器的輸出電壓與掛鉤上所受的力成正比，其比值稱為傳感器的靈敏度，即實驗的根本構思與原理在實驗中，將一個金屬圓環(huán)固定在傳感器上，該環(huán)浸沒于液體中，當把圓環(huán)漸漸從液體中拉起時，金屬圓環(huán)會受到液體外表膜的拉力作用。外表膜拉力的大小為式中D1、D２分別為圓環(huán)外徑和內徑，α為液體外表張力系數。在液面拉脫的瞬間，這個外表膜的拉力消失。因此，金屬圓環(huán)拉脫瞬間前后傳感器受到的拉力差為〔1〕并以數字式電壓表輸出顯示為〔2〕式中U1為吊環(huán)即將拉斷液體柱前一瞬間數字電壓表讀數值，U2為拉斷時瞬間數字電壓表讀數，B為力敏傳感器的靈敏度。由〔1〕〔2〕，我們可以得到液體的外表張力系數為〔3〕因此，只要測量出〔U1-U2〕，B，D1和D2，就能得到液體的外表張力系數α。實驗操作步驟力敏傳感器的定標每個力敏傳感器的靈敏度都有所不同，在實驗前，應先將其定標，步驟如下：(1)翻開儀器的電源開關，將儀器預熱。(2)在傳感器梁端頭小鉤中，掛上砝碼盤，調節(jié)電子組合儀上的補償電壓旋鈕，使數字電壓表顯示為零。(3)在砝碼盤上分別加0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g等質量的砝碼，記錄相應這些砝碼力F作用下，數字電壓表的讀數值U。2.環(huán)的測量與清潔(1)用游標卡尺單次測量金屬圓環(huán)的外徑D1和內徑D2。(2)環(huán)的外表狀況與測量結果有很大的關系。實驗前應將金屬環(huán)狀吊片在NaOH溶液中浸泡20-30秒，然后用凈水洗凈。3.測量液體的外表張力系數①將金屬環(huán)狀吊片掛在傳感器的小鉤上，調節(jié)升降臺，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)狀吊片取下后，調節(jié)吊片上的細絲，使吊片與待測液面平行。②調節(jié)容器下的升降臺，使其漸漸上升，將環(huán)片的下沿局部全部浸沒于待測液面，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字電壓表讀數值U1和液膜拉斷后一瞬間數字電壓表讀數值U2。重復測量6次。將實驗數字代入公式(3)，求出液體外表張力系數，并與標準值進行比擬。實驗數據表格及處理力敏傳感器定標物體質量m/g0.5001.0001.5002.0002.5003.0003.500輸出電壓U/mV測量次數D1/mmD2/mmU1/mVU2/mVU/mV123456水的外表張力系數測量力敏傳感器定標物體質量m/g0.5001.0001.5002.0002.5003.0003.500物體重力G/10-3N4.99.814.719.624.529.434.3輸出電壓U/mV12.627.941.353.866.480.293.8由圖表可以得到傳感器的靈敏度為B=2.7208V/N，通過查詢資料知道純潔水在27℃和25℃時的張力系數分別為71.8N/m和72.0N/m。實驗結論本實驗在常溫下進行，采用了拉脫法測量水的外表張力系數，由于實驗使用的是自來水，參雜了一些外表活性物質，使得水的外表張力系數變小，與資料數據有一定出入，故排除實驗操作的絕對誤差，在相對誤差允許的范圍內，本實驗測定了水的外表張力系數α=。實驗誤差分析定標時，由于砝碼盤的晃動使得傳感器受到大于砝碼盤〔含砝碼〕重力的力，導致定標時測得的靈敏度變大，最終使液體外表張力系數測量結果變小。如果吊環(huán)不水平，那么會導致吊環(huán)在上升的時候，水膜不是同時破裂，實際作用在吊環(huán)的作用力只有吊環(huán)周長的一局部，這會導致最后測得的結果偏小。在觀察水膜破裂前后電壓變化的時候，如果吊環(huán)上升過快，傳感器尚未顯示出最大電壓值時水膜已破裂，這樣也會造成最終測量結果偏小。實驗使用的不是純潔水而是自來水，故實驗本身已不具備高精確性。實驗思考題測量前為什么要對整機進行預熱？答：儀器元件通電工作時會隨著時間的延長而產生溫度變化，在實驗過程中，溫度的變化所產生的技術參數變化的誤差越小越好，而電子元件在通電工作一段時間后，它的各項參數就根本可以穩(wěn)定了，這時進行電子測量是最精確的。所以，精密的電子測量儀器都需要通電預熱時間的。要得到準確的測量結果，實驗中的哪幾個步驟最為關鍵？你為做好這幾步驟的測量采取了什么措施？措施是否奏效？你認為是為什么？答：a.力敏傳感器定標之前應先調零，待電壓表輸出穩(wěn)定后再讀數。b.砝碼應輕拿輕放，防止砝碼盤晃動，這樣傳感器受到的力才會等于砝碼重力。c.實驗儀器應先預熱，這樣會減小儀器元件溫度變化帶來的誤差。d.吊環(huán)必須保持水平，緩慢旋轉升降臺，防止水晃動。這樣會使得整個水膜一次性脫離吊環(huán)，得到水膜的最大張力。我在實驗中通過反復調整吊環(huán)水平姿勢并觀察其脫離水膜的過程，直到水膜和吊環(huán)一次性脫離。e.傳感器電壓示數從最大值開始減小時，應減慢升降臺的下降速度，仔細觀察水膜脫離那一瞬間的電壓差，并記錄下來。如果金屬圓環(huán)不清潔、水不夠純潔，將會測量帶來什么影響？所測α值偏大還是偏小，為什么？答：水不夠純潔或參雜了雜質，都會使得測量結果偏大或偏小。假設參雜了外表活性物質或者外表張力系數更小的液體，那么會使得水膜的張力變小，測的結果自然也變小；反之參雜了外表非活性