实验报告-液体表面张力系数的测量

1. 实验名称

液体表面张力系数的测量 2. 实验目的

(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)测量纯水和其它液体的表面张力系数。

(4)测量液体的浓度与表面张力系数的关系(如酒精不同浓度时的表面张力系数) 3. 实验原理:主要原理公式及简要说明、原理图

(1) 液体表面张力f

表面张力f 是存在于液体表面上任何一条分界线两侧间的液体的相互作用拉力，其方向沿液体表面，且恒与分界线垂直，大小与分界线的长度成正比，即

L f α= (1)

式中α称为液体的表面张力系数，单位为NM -1。实验证明，表面张力系数的大小与液体的温度、纯度、种类和它上方的气体成分有关。温度越高，液体中所含杂质越多，则表面张力系数越小。

(2) 液膜拉破前瞬间受力分析

将内径为D 1，外径为D 2的金属环悬挂在测力计上，然后把它浸入盛水的玻璃器皿中。当缓慢地向上金属环时，金属环就会拉起一个与液体相连的水柱。由于表面张力的作用，测力计的拉力逐渐达到最大值F （超过此值，水柱即破裂），则F 应当是金属环重力mg 与水柱拉引金属环的表面张力f 之和，如图1 所示。即

图1液膜拉破前瞬间受力分析图

f m

g F +=(2)

由于水柱有两个液面，且两液面的直径与金属环的内外径相同，则有

)(21D D f +=απ (3)

表面张力系数的值一般很小，测量微小力必须用特殊的仪器。本实验用FD-NST-I 型液体表面

张力系数测定仪用到的测力计是硅压阻力敏传感器，该传感器由弹性梁和贴在梁上传感器芯片组成，其中芯片由四个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥。当外界压力作用与金属梁时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，输出电压U 大小与所加外力F 成正比，即

KF U = (4)

式中K 表示力敏传感器的灵敏度，单位V/N 。

(3) 液体表面张力系数

吊环拉断液柱的前一瞬间，吊环受到的拉力为f mg F +=1；拉断时瞬间，吊环受到的拉力为mg F =2。若吊环拉断液柱的前一瞬间数字电压表的读数值为U 1，拉断时瞬间数字电压表的读数值为U 2，则有

21F F f -=(5)

故表面张力系数为

K

D D U U )(212

1+-=

πα (6)

4．实验内容

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D 1和内径D 2。

(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U 1和液膜拉断后一瞬间数字电压表读数值U 2。重复测量6次。

(3)将实验数字代入公式(4-47)和(4-46)，求出液体表面张力系数，并与标准值进行比较。 4. 注意事项

(1)吊环须严格处理干净。可用NaOH 溶液洗净油污或杂质后，用清洁水冲洗干净，并

用热吹风烘干。

(2)吊环水平须调节好，注意偏差01，测量结果引入误差为0.5%；偏差02，则误差1.6%。

(3)仪器开机需预热15分钟。

(4)在旋转升降台时，尽量使液体的波动要小。

(5)工作室不宜风力较大，以免吊环摆动致使零点波动，所测系数不正确。

(6)若液体为纯净水。在使用过程中防止灰尘和油污及其它杂质污染。特别注意手指不要接触被测液体。

(7)力敏传感器使用时用力不宜大于0.098N。过大的拉力传感器容易损坏。

(8)实验结束须将吊环用清洁纸擦干，用清洁纸包好，放入干燥缸内。

6．实验仪器：主要实验主要仪器的名称、型号及主要技术参数（测量范围和仪器误差）

(1) 实验仪器

FD－NST型液体表面张力系数测定仪，力敏传感器，吊环，液体皿，数字电压表。

(2) 仪器介绍

FD－NST型液体表面张力系数测定仪技术指标

①硅压阻力敏传感器：受力量程0-0.098N；灵敏度约3.00V/N(用砝码质量作单位定标)。

②供电电压：直流5-12V。

7．数据记录及处理：

①数据记录

表1硅压阻力敏传感器的定标

表2 水的表面张力系数测量

t = 20度，D1 = 32.00mm，D2= 35.00mm

② 数据处理

硅压阻力敏传感器灵敏度的确定

根据表1数据，利用作图法求得传感器灵敏度K=3.00V/N ③ 所测空气比热容比的平均值为：

0749.0）

00.3500.32（314.33

.47)D (U 21=+⨯⨯=+∆=

D K πα

相对不确定度和不确定度的计算如下：

222

2212

2)()ln ()(）ln （）（）U ln （

21D D u r u D u D u u ∂∂+∂∂+∆∂∂=∆αααγ 2720.01

6)(6

1

2

11=-∆-∆=

∑=∆i

u U U S i

Δ仪=0.1mV

2898.0u 2

仪22

2U =∆+=

+=

∆∆u B A S u u

)ln()K ln()U ln(ln 21D D +--∆=πα

62110584.1)

(1ln -⨯=+=∆∂∂D D K U πα