大學物理實驗-液體表面張力系數的測定(數據處理)(300字)

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力敏傳感器定標數據記錄

大學物理實驗液體表面張力系數的測定數據處理

大學物理實驗液體表面張力系數的測定數據處理

吊環尺寸測量數據記錄

大學物理實驗液體表面張力系數的測定數據處理

思考題

(2)利用逐差法計算力敏傳感器的靈敏度B

B?

?U43.9?43.3?45.1

??3?103mV/N ?3

?F9?0.5?10?9.794

?U89.7?15.1

??3.047?103mV/N ?F29.392?4.897

(3)作U-F圖,并用圖解法計算斜率B

B?

(5)計算實驗的相對誤差E

E?

?x75.2?72.38?100%??3.9% x072.38

(6)改進措施:

1、吊環必須嚴格處理干凈,且水平調節好。 2、儀器開機需預熱15分鐘。 3、手指不要接觸被測液體。

4、在旋轉升降臺時,盡量使液面的波動要小。




第二篇:實驗講義-液體表面張力-20xx.9 4800字

液體表面張力系數的測量

表面現象廣泛見諸于鋼鐵生產、焊接、印刷、復合材料的制備等過程中。許多涉及液體的物理現象都與液體的表面性質有關,液體的表面張力系數是表征液體性質的一個重要參數。例如:液體與固體接觸時出現的浸潤與不浸潤現象、毛細現象、以及液體泡沫的形成等就是液體表面張力的表現。此外,工業生產中使用的浮選技術、動植物體內液體的運動和土壤中水的運動等也都是液體表面張力的表現。因此,研究表面現象、測量表面張力系數具有極其重要的意義。

【實驗目的】

1. 學習掌握力敏傳感器的使用和定標方法,并計算該傳感器的靈敏度。

2. 了解拉脫法測定儀的工作原理和使用方法,用拉脫法測量室溫下液體(水)的表面張力系數;

3. 了解讀數顯微鏡的結構、原理及使用方法,用毛細管法測量室溫下液體(水)的表面張力系數;

4. 認真觀察實驗現象,仔細分析實驗過程,加深對物理規律的認識。

【預備問題】

1. 表面張力是如何形成的?表面張力系數與哪些因素有關?

2. 為了減小測量誤差,實驗時應該注意哪些問題?

【實驗概述】

一般而言,由于液體的分子間存在有相互作用力,導致液體表面宏觀上具有收縮到盡可能小的趨勢。從微觀角度看,這說明了處于表面層的分子要比液體內部的分子少了一部分能與之起吸引作用的分子,因此出現了一個指向液體內部的吸引力,使這些分子具有向液體內部收縮的趨勢。從能量角度看,任何液體內部的分子欲進入表面層,就必須克服這個吸引力而做功。顯然,表面層有著比液體內部更大的勢能(表面能),液體表面積越大,表面能也越大。而任何體系總是以勢能最小的狀態最為穩定,所以液體要處于穩定狀態,液面就必然縮小,以使其表面能盡可能小,宏觀上就表現為液體表面層內的表面張力。

可以認為,液體的表面在宏觀上就好像一張繃緊的橡皮膜,存在沿著表面并使表面趨于收縮的應力,這種力稱為表面張力,用表面張力系數?來描述。因此,液體表面張力系數是表征液體性質的一個重要參數。對液體表面張力系數的測定,可以為分析液體表面的分子分布及結構提供幫助。

通常,液體的表面張力系數?與液體的性質、雜質情況和溫度等有關。當液面與其蒸汽相接觸時,表面張力僅與液體性質及溫度有關。一般來講,密度小,易揮發液體的?小;溫度愈高,?愈小。測量液體表面張力系數有多種方法,例如:拉脫法,毛細管法,平板法和最大泡壓法等。

【實驗原理】

本實驗采用拉脫法和毛細管法測量液體(水)的表面張力系數。

一、拉脫法

測量一個已知周長L的金屬片從待測液體表面脫離時需要的力,求得該液體表面張力系數的實驗方法稱為拉脫法。若金屬片為環狀吊片時,考慮一級近似,可以認為脫離力為表面張力系數乘上脫離表面的周長,即

F???2L????(D1?D2) (1)

式中,F為脫離力,D1,D2分別為圓環的外徑和內徑,??為液體的表面張力系數.脫離力的測量應該為即將脫離液面測力計的讀數F1減去吊環本身的重力mg。吊環本身的重力即為脫離后測力計的讀數F2。所以表面張力系數為:

??F1?mgF1?F2 (2) ??(D1?D2)?(D1?D2)

硅壓阻式力敏傳感器由彈性梁和貼在梁上的傳感器芯片組成,其中芯片由四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,在壓力作用下,電橋失去平衡,此時將有電壓信號輸出,輸出電壓大小與所加外力成正此,即

ΔU?KΔF (3)

式中,?F為外力的大小,K為硅壓阻式力敏傳感器的靈敏度,?U為傳感器輸出電壓的大小。 綜合(2)和(3)得表面張力系數為:

??

二、毛細管法 ?U (4) ?(D1?D2)K

將玻璃毛細管插入無限廣闊的水中,由于水對玻璃是浸潤的,在管內的水面將成凹面。在液體表面張力的作用下,凹面有變平的趨勢,因此

下層的水受到一個提升的力,或它對下層的水施加以

負壓,使管內水面B點的壓強比水面上方的大氣壓強

小,如圖1中(a)所示,而在管外的平液面處,與B

點在同一水平面上的C點仍于水面上方的大氣壓強相

等。在此壓差的作用下,水將從管外流向管內使管中

水面升高,直至B點和C點的壓強相等為止,如圖1

(b)所示。設毛細管的截面為圓形,則毛細管內的凹

水面可近似地看成為半徑r的半環球面,若管內水面

下A點與大氣壓的壓強差為Δp,則水面平衡的條件應

當是

?p?r2?2?r?cos? (5)

式中,r為毛細管半徑,θ為接觸角,?為表面張力系數。

如水在毛細管中上升的高度為h,則

?p??gh

實驗講義液體表面張力20xx9

實驗講義液體表面張力20xx9

式中,?為水的密度。將此公式代入式(5),可得

?gh?r2?2?r?cos?

???ghr (6) 2cos?

對于清潔的玻璃和水,接觸角θ近似為零,則

??1?ghr (7) 2

測量時是以管中凹面最低點到管外水平液面的高度為h,而在此高度以上,在凹面周圍還有少量的水,因為可以將毛細管中的凹面看成為半球形,所以凹面周圍水的體積應等于(πr2)

r14r-(?r3)=1?r3=(?r2), 即等于管中高為r的水柱的體積。因此,上述討論中的h值,32333

應增加r的修正值。于是公式(7)成為

3

??1?gr(h?r)?1?gd(h?d) (8) 2346

由此可見,通過測量毛細管內徑d,液面高h就可以得到液體表面張力系數?。

【實驗儀器】

表面張力系數的測量裝置(圖2)主要包括:

1. 拉脫法液體表面張力系數測量裝置一套(支架及升降臺,力敏傳感器,數字電壓表,砝碼七片,金屬吊環,砝碼盤,鑷子,玻璃器皿等);

2. 毛細管法測量液體表面張力系數裝置一套(讀數顯微鏡,燒杯,玻璃毛細管等);以及臺燈和待測液體(如水)等。

圖2. 表面張力系數的測量裝置

實驗講義液體表面張力20xx9

實驗講義液體表面張力20xx9

【實驗內容】

實驗1. 拉脫法測量水的液體表面張力系數

實驗2. 毛細管法測量水的液體表面張力系數

【實驗步驟與要求】

實驗1. 拉脫法測量水的液體表面張力系數

(1)實驗準備:預熱數字電壓表10分鐘。

(2)對力敏傳感器定標:將砝碼盤掛在力敏傳感器的掛鉤上,對數字電壓表調零,然后將七片砝碼依次一片片放在砝碼盤上,再依次一片片取出,待穩定后記下電壓表的讀數Ui(每片砝碼為0.500g),將數據記錄在自擬的數據表格中。

(3)測量液膜拉斷前和拉斷后的電壓表示數:

(a)取下砝碼盤,換上吊環;

(b)將裝有液體的玻璃器皿安放在升降臺上;

(c)調整吊環,使吊環下沿平面與玻璃器皿內的水面平行;

(d)調節升降臺,讓吊環浸入水中;慢慢降低升降臺,觀察力敏傳感器示數;測量液膜即將拉斷前和拉斷后的讀數U1和U2;

(e)重復(d)6次,測量數據記錄在自擬的數據表格中。

實驗2. 毛細管法測量水的液體表面張力系數

(1)將裝水的燒杯安放在支架上。

(2)將洗凈烘干的毛細管插入液體,使之鉛直,觀察液面高度。

(3)用讀數顯微鏡測量毛細管中液柱高度h(要求重復測量5次,測量數據記錄在自擬的數據表格中)。

(4)用讀數顯微鏡測量毛細管的內徑d(要求重復測量5次,測量數據記錄在自擬的數據表格中)。

【數據處理】

1. 對硅壓阻力敏傳感器的定標

采用最小二乘法進行數據處理,求得力敏傳感器的靈敏度K及相關系數R。

2. 拉脫法測量液體(水)的表面張力系數

(a)將測量數據帶入公式(4),可計算得出水的表面張力系數?;

(b)計算結果與實驗室溫度下的標準值?公比較;

(c)計算相對不確定度Ur,寫出結果表達式;

(d)分析其誤差原因。

3. 毛細管法測量液體(水)的表面張力系數

(a)將測量數據帶入公式(8),可計算得出水的表面張力系數?;

(b)計算結果與實驗室溫度下的標準值?公比較;

(c)計算相對不確定度Ur,寫出結果表達式;

(d)分析其誤差原因。

注:本實驗數據處理的參數取值和相關公式。

已知:武漢地區重力加速度g = 9.79338 m/s2,吊環內外直徑D1=3.310 cm,D2=3.496 cm。 水的密度和表面張力系數隨溫度變化的標準值可參見附錄2,亦可參見實驗室黑板上粘貼的數據。

相對不確定度計算公式: Ur?

【注意事項】

1. 實驗安全第一,認真操作,如實記錄,規范處理。

2.確保吊環、毛細管、盛液器皿等的清潔,可用NaOH溶液潔凈油污等后再用純凈水沖洗干凈,并用熱吹風吹干或涼干。

3. 使用力敏傳感器時要細心,拉力不能超過0.098N。

4. 給力敏傳感器定標時,要用鑷子取用砝碼,禁止用手直接拿取砝碼。

5. 使用讀數顯微鏡時要注意消除視差和空程差。

6. 實驗中,吊環下沿平面要與玻璃器皿內的水面平行;毛細管插入液體要保持鉛直。

7. 實驗結束后,清點并整理好所用儀器及附件;將吊環、毛細管和砝碼等放在塑料工具盒中,不得亂放;清潔和整理個人坐位。

8. 請1~4號負責實驗室的清潔值日,檢查儀器。

【思考題】

1. 若吊環下沿所在平面與液面不平行,測得的表面張力系數是大了還是小了?

2. 拉脫過程中為什么U1會經歷一個先增大后減小的過程?為什么計算表面張力需用拉斷前一瞬間的讀數而不是最大值作為U1?

【拓展思考問題】

1. 液體表面張力系數實驗中,拉脫法和毛細管法有何異同點,試分析其誤差和優缺點。

2. 液體表面張力系數實驗的總結(主要誤差來源和原因、實驗操作技巧 ……)

(經驗分享;體會;感想;討論;建議等)

3. 在實驗中,你所感受、體驗和認識的物理規律真諦。

注:思考題和拓展思考題任選兩題。其中,拓展思考題2和3必選一,在實驗報告中回答和討論。可以自己擬定題目,結合實際,具體分析討論。鼓勵在BBS分享和討論。

【參考文獻】

[1] 熊永紅等. 大學物理實驗(第一冊). 科學出版社, 20xx年8月.

[2] 任忠明等. 大學物理實驗(第二冊). 科學出版社, 20xx年8月.

??公?100%。 ?公

【附錄1】實驗數據記錄表格與計算公式

1. 力敏傳感器的定標

實驗講義液體表面張力20xx9

實驗講義液體表面張力20xx9

K?

F?U??F?2

2

??(V/N), R?

F?U??(F?)(U?)

2

2

2

2

??

2. 拉脫法測量水的表面張力系數

表格2. 液膜破裂前后數字電壓表讀數 ??

?(D1?D2)K

室溫:t?

?

?

(t)?C,吊環直徑D1?3.310cm,D2?3.496cm,?公

?(N/m)

結果表達式:

?測?

?

(N/m), Ur?

測??公

?100%??公

?

3. 毛細管法測量水的表面張力系數

實驗講義液體表面張力20xx9

表格3. 毛細管內徑d和管內液柱高度h數據 ??室溫: t?

結果表達式:

1?g(?) 46(kg/m3)

?

?

C, g武漢?9.79338(m/s2), ?水(t)?

?

?測?

?

(N/m), Ur?

?測??公

?100%??公

?

【附錄2】水的密度與表面張力系數隨溫度變化標準值

實驗講義液體表面張力20xx9

實驗講義液體表面張力20xx9

【附錄3】儀器簡要說明

本實驗采用的讀數顯微鏡(圖3)。

實驗講義液體表面張力20xx9

圖3. 讀數顯微鏡功能概要

【附錄4】評分細則

實驗課堂評分

實驗講義液體表面張力20xx9

實驗報告評分

實驗講義液體表面張力20xx9

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