大学物理实验——表面张力系数.doc

大学物理实验报告
题目：液体表面张力系数的测定
专业班次： 姓名： 日期：2014-10-14
一、 实验名称
液体表面张力系数的测定
二、 实验任务
(1)用砝码对硅压阻力敏传感器进行定标，计算该传感器的灵敏度，学习传感器的定标
方法。
(2)观察拉脱法测液体表面张力的物理过程和物理现象，并用物理学基本概念和定律进
行分析和研究，加深对物理规律的认识。
(3) 测量室温下水的表面张力系数。
三、 实验仪器
液体表面张力系数测定仪、垂直调节台、硅压阻力敏传感器、铝合金吊环、吊盘、砝码、玻璃皿、镊子和游标卡尺。
四、 实验原理
1． 硅压阻力敏传感器的灵敏度
当传感器的力臂发生形变时，硅力敏传感芯片就会把这一形变转变成电压值，有数字电压表显示出来。在弹性范围内，力臂的形变与挂钩所受的力成正比，而硅力敏传感芯片的输出电压与力臂的形变成正比；也就是说传感器的输出电压与挂钩上所受的力成正比，其比值称为传感器的灵敏度，即

2． 实验的基本构思与原理
在实验中，将一个金属圆环固定在传感器上，该环浸没于液体中，当把圆环渐渐从液体中拉起时，金属圆环会受到液体表面膜的拉力作用。表面膜拉力的大小为

式中D1、D２分别为圆环外径和内径，α为液体表面张力系数。在液面拉脱的瞬间，这个表面膜的拉力消失。因此，金属圆环拉脱瞬间前后传感器受到的拉力差为
（1）
并以数字式电压表输出显示为
（2）
式中U1为吊环即将拉断液体柱前一瞬间数字电压表读数值，U2为拉断时瞬间数字电压表读数，B为力敏传感器的灵敏度。由（1）（2），我们可以得到液体的表面张力系数为
（3）
因此，只要测量出（U1-U2），B，D1和D2，就能得到液体的表面张力系数α。
五、 实验操作步骤
1. 力敏传感器的定标
每个力敏传感器的灵敏度都有所不同，在实验前，应先将其定标，步骤如下：
(1)打开仪器的电源开关，将仪器预热。
(2)在传感器梁端头小钩中，挂上砝码盘，调节电子组合仪上的补偿电压旋钮，使数字电压表显示为零。
(3)在砝码盘上分别加0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g等质量的砝码，记录相应这些砝码力F作用下，数字电压表的读数值U。
2.环的测量与清洁
(1)用游标卡尺单次测量金属圆环的外径D1和内径D2。
(2)环的表面状况与测量结果有很大的关系。实验前应将金属环状吊片在NaOH溶液中浸泡20-30秒，然后用净水洗净。
3.测量液体的表面张力系数
①将金属环状吊片挂在传感器的小钩上，调节升降台，将液体升至靠近环片的下沿，观察环状吊片下沿与待测液面是否平行。如果不平行，将金属环状吊片取下后，调节吊片上的细丝，使吊片与待测液面平行。
②调节容器下的升降台，使其渐渐上升，将环片的下沿部分全部浸没于待测液面，然后反向调节升降台，使液面逐渐下降。这时，金属环片和液面间形成一环形液膜，继续下降液面，测出环形液膜即将拉断前一瞬间数字电压表读数值U1和液膜拉断后一瞬间数字电压表读数值U2。重复测量6次。
将实验数字代入公式(3)，求出液体表面张力系数，并与标准值进行比较。
六、 实验数据表格及处理

力敏传感器定标
物体质量m/g
0.500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
输出电压U/mV

测量次数
D1/mm
D2/mm
U1/mV
U2/mV
U/mV

1

2

3

4

5

6

水的表面张力系数测量
力敏传感器定标
物体质量m/g
0.500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
物体重力G/10-3N
4.9
9.8
14.7
19.6
24.5
29.4
34.3
输出电压U/mV
12.6
27.9
41.3
53.8
66.4
80.2
93.8

由图表可以得到传感器的灵敏度为B=2.7208V/N
，通过查询资料知道纯净水在27℃和25℃时的张力系数分别为71.8N/m和72.0N/m。
七、 实验结论
本实验在常温下进行，采用了拉脱法测量水的表面张力系数，由于实验使用的是自来水，参杂了一些表面活性物质，使得水的表面张力系数变小，与资料数据有一定出入，故排除实验操作的绝对误差，在相对误差允许的范围内，本实验测定了水的表面张力系数α=。
八、 实验误差分析
①　 定标时，由于砝码盘的晃动使得传感器受到大于砝码盘（含砝码）重力的力，导致定标时测得的灵敏度变大，最终使液体表面张力系数测量结果变小。
②　 如果吊环不水平，则会导致吊环在上升的时候，水膜不是同时破裂，实际作用在吊环的作用力只有吊环周长的一部分，这会导致最后测得的结果偏小。
③　 在观察水膜破裂前后电压变化的时候，如果吊环上升过快，传感器尚未显示出最大电压值时水膜已破裂，这样也会造成最终测量结果偏小。
④　 实验使用的不是纯净水而是自来水，故实验本身已不具备高精确性。
九、 实验思考题
1． 测量前为什么要对整机进行预热？
答：仪器元件通电工作时会随着时间的延长而产生温度变化，在实验过程中，温度的变化所产生的技术参数变化的误差越小越好，而电子元件在通电工作一段时间后，它的各项参数就基本可以稳定了，这时进行电子测量是最精确的。所以，精密的电子测量仪器都需要通电预热时间的。

2． 要得到准确的测量结果，实验中的哪几个步骤最为关键？你为做好这几步骤的测量采取了什么措施？措施是否奏效？你认为是为什么？
答：a.力敏传感器定标之前应先调零，待电压表输出稳定后再读数。
b.砝码应轻拿轻放，避免砝码盘晃动，这样传感器受到的力才会等于砝码重力。
c.实验仪器应先预热，这样会减小仪器元件温度变化带来的误差。
d.吊环必须保持水平，缓慢旋转升降台，避免水晃动。这样会使得整个水膜一次性脱离吊环，得到水膜的最大张力。我在实验中通过反复调整吊环水平姿势并观察其脱离水膜的过程，直到水膜和吊环一次性脱离。
e.传感器电压示数从最大值开始减小时，应减慢升降台的下降速度，仔细观察水膜脱离那一瞬间的电压差，并记录下来。
3． 如果金属圆环不清洁、水不够纯净，将会测量带来什么影响？所测α值偏大还是偏小，为什么？
答：水不够纯净或参杂了杂质，都会使得测量结果偏大或偏小。若参杂了表面活性物质或者表面张力系数更小的液体，则会使得水膜的张力变小，测的结果自然也变小；反之参杂了表面非活性物质或者张力系数较大的液体，就会使得测量结果偏大。
4． 你认为该试验在那些地方还可以改进，怎样改进？
答：首先实验可以采用纯净水来做，这样会使得实验更具精确性；然后实验仪器也要尽量洁净，以免使得纯净水参杂；吊环还可以使用绳子来拉起，这样更容易保证吊环水平，实验更精确。