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1、1液体表面张力系数的测量教案（专业物理）辽宁科技大学 理学院实验中心 周 次 9-12 教学对象 物理本科专业 课 时 3 备 注实验名称 液体表面张力系数的测量教学目的1、了解硅压阻式力敏传感器的测量原理，以及用传感器将非电学量转化为电学量的方法；2、掌握用拉脱法测量液体表面张力系数；3、学会双变量数据处理方法；重 点 拉脱法测量原理；难 点 电压读数位置；关 键 点 受力分析；教学方法 讲授法、启发式；教学器材 FD-NST-I 型液体表面张力系数测定仪；数字式毫伏表；游标卡尺；温度计；砝码（10） ；氢氧化钠溶液；纯水（或乙醇、丙三醇等） ；教学过程 教学内容 时间分配主要检查预习报告内
2、容是否完整，数据表格是否符合要求。 55液体表面张力是表征液体物理性质的一个重要参量。测量液体表面张力系数常用的方法之一是拉脱法，该方法的特点是：用称量仪器直接测量液体表面张力，测量方法直观、概念清晰。由于用此方法液体表面张力大约在 N/m321.0.10之间，因此需要有一种量程范围小、灵敏度高、而且稳定性好的测力仪器，硅压阻式力敏传感器测定仪正能满足测量需要，它不仅灵敏度高、稳定性好，而且可以用数字信号显示，便于计算机实时测量。今天我们就共同来学习拉脱法测量液体表面张力系数。2一、实验原理：1、液体表面张力系数：图 1 液体表面张力示意图液体的表面，由于表层内分子力的作用，存在着一定张力，称
3、为表面张力，正是这种表面张力的存在使液体的表面犹如张紧的弹性模，有收缩的趋势。设想在液面上有一条直线，表面张力就表现为直线两旁的液面以一定的拉力 f 相互作用。 f 存在于表面层，方向恒与直线垂直，大小与直线的长度 L 成正比，即：252fL比例系数 称为一条的表面张力系数，单位 N/m。它的大小与液体的成分、纯度以及温度有关（温度升高时， 值减小） 。2、拉脱法测量液体表面张力系数：测量一个已知长度的金属片从待测液体表面脱离时需要的力，从而求得表面张力系数的实验方法称为拉脱法。若金属片为环状时，考虑一级近似，可以认为脱离力（即：表面张力）为表面张力系数乘以脱离表面的周长。即： 12()fD得
4、表面张力系数： 12()f其中，f 为拉脱力；D 1、D 2 分别为圆环的外径和内径； 为液体表面张力系数。3、力敏传感器测量拉力的原理：硅压阻力敏传感器由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成，其中芯片由 4 个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥。当外界压力作用于金属梁时，电桥失去平衡，产生输出信号，输出电压与所加外力成线性关系，即： UKF其中，K 为力敏传感器的灵敏度（ mV/N） ，其大小与输入的工作电压有关；F 为所加的外力；U 为输出的电压。1.底座及调节螺丝 2.升降调节螺母 3.培养皿 4.金属片状圆环5.硅压阻式力敏传感器及金属外壳 6.数字电压表图 2 液体表面张力测量装置对于本实验装
5、置，工作原理如下：（1）液膜被拉断前： cosFmgf拉断前瞬间， ， ，即： ；此时，0s1gf数字电压表示数为 U1，则： 。1UfK3（2）液膜被拉断后（瞬间）： Fmg此时，数字电压表示数为 U2，则： 。2UK（3）液膜拉断前后拉力变化： 12()Fgff又因为 12()fD所以 12()UK注：实验表明，当金属环直径在 3cm 附近、而且金属环和液体的接触角近似为 0 时，运用上述公式计算各种液体的表面张力系数的结果较为正确。二、实验任务与要求：1、力敏传感器的定标，求出灵敏度 K；2、测量待测液体（纯水、乙醇、丙三醇）的表面张力系数；3、研究表面张力系数随液体的浓度变化规律；（选
6、做）三、实验步骤：1、力敏传感器的定标：（1）接通电源，将仪器预热 15 分钟；（2）在传感器横梁端的小钩上挂上砝码盘，调节调零旋钮（电子组合仪上的补偿电压旋钮）使数字电压表示数为零（注意：调零后此旋钮不能再动） ；（3）在砝码盘中分别加入等质量 mi（每个砝码0.0005kg）的砝码，记录对应质量下的电压表读书 Ui，填入表1；（4）用作图法（或其它双变量数据处理方法）做直线拟合，求出传感器灵敏度 K；2、测量液体表面张力系数：（1）用游标卡尺测量金属环的外径 D1、内径 D2；（2）将金属环吊片在 NaOH 溶液中浸泡 20-30 秒，然后用清水洗净（因为环表面状况与测量结果有很大关系）
7、；（3）将金属环吊片挂在传感器的小钩上，调节升降台将液体升至靠近金属环下沿，观察金属环下沿与待测液面是否平行。如果不平行，将金属环取下，调节环片上的细丝，使之与液面平行（偏差增加 1 度，测量误差将增加 0.5%） ；（4）调节玻璃皿下的升降台，使环片下沿全部浸入待测液体中，然后反向匀速下降升降台，使金属环片与液面间形成4一个环状液膜。继续下降液面，观察电压表读数，测量出液膜拉断前后瞬间电压值 U1、U2 记录在表格中；（5）重复测量 U1、U2 各 8 次；（6）将数据带入液体表面张力系数公式，求出待测液体在某温度下的表面张力系数，并对结果做出评价（亦可与标准值进行比较） ；（7）整理仪器；
8、3、研究表面张力系数随液体的浓度变化规律（选做）：四、数据记录：表 1 力敏传感器的定标次数 1 2 3 4 5 6 7m/kg 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025 0.0030 0.0035U/mv表 2 金属环的外径 D1 和内径 D2次数 1 2 3 4 5D1/mD2/m表 3 液体（纯水）表面张力系数的测量数据次数 1 2 3 4 5 6 7 8U1/mVU2/mV/mVU温度 标准值五、数据处理：1、力敏传感器的定标（作图法）：（1）中值点：P（ ， ）xy.()xmgyUV（2）取点：M 1（ ， ） 、M 2（ ， ）（3）灵敏度 K：mV/g
9、.3位 有 效 数 字mV/N.3109.72位 有 效 数 字2、金属环内、外径的数据处理：（选做）（1） m1.niiDm221.nii5（2） m11()().2niiADuS位 有 效m2122()().niiA位 有 效（3） m.LBu位 有 效（4） m21.2AB位 有 效m2u位 有 效3、液体表面张力系数的数据处理：N/m112.3()UKD位 有 效 数 字.N/m1.ni位 有 效 数 字.E标标 0 =2位 有 效 数 字N/m N/m(1).(.)本节课主要使学生理解测量方法和原理； 2思考与讨论：1、实验前为什么要对力敏传感器定标？2、定标后能否再调节调零旋钮，为什么？3、实验前为什么要对金属环进行清洁？41、2、撰写实验报告。 2教师个别指导； 10561 李明 等. 大学物理实验教程M. 浙江大学出版社, 2004.08(2): 55-59.附录：1、纯水表面张力系数的标准值：温度（） 10 15 20 25 30(/)Nm0.07422 0.07349 0.07275 0.07179 0.071182、鞍山地区重力加速度 。29.71/gmS3、吊环直径参考值：D1/m 0.03496 D2/m 0.03310
