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液體表面張力系數(shù)的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/span>

1. 用砝碼對(duì)硅壓阻力敏傳感器進(jìn)行定標(biāo)，計(jì)算該傳感器的靈敏度，學(xué)習(xí)傳感器的定標(biāo)方法；

2. 學(xué)習(xí)液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀的使用方法；

3. 用拉脫法測(cè)定室溫下水的表面張力系數(shù)。

 

實(shí)驗(yàn)儀器：

1. 硅壓阻力敏傳感器：

1). 受力量程：0—0.098N；

2). 靈敏度：約3.00(用砝碼質(zhì)量做單位定標(biāo))。

2. 顯示儀器：讀書顯示：200mV，三位半數(shù)字電壓表。

3.力敏傳感器固定支架、升降臺(tái)、底板及水平調(diào)節(jié)裝置。

4. 吊環(huán)：外徑，高0.850cm的鋁合金環(huán)。

5. 砝碼盤及0.5克砝碼7只。

 

實(shí)驗(yàn)原理：

表面張力是指作用于液體表面上任意直線的兩側(cè)，垂直于該直線且平行于液面、并使液面具有收縮傾向的一種力。從微觀上看，表面張力是由于液體表面層內(nèi)分子力作用的結(jié)果?？梢杂帽砻鎻埩ο禂?shù)來定量地描述液體表面張力的大小，設(shè)想在液面上作長(zhǎng)為L(zhǎng)的線段，在L的兩側(cè)，表面張力以拉力的形式相互作用著，拉力的方向垂直于該線段，拉力的大小正比于L，即,式中表示作用于線段單位長(zhǎng)度上的表面張力，稱為表面張力系數(shù)，其單位為。

液體表面張力的大小與液體的成分有關(guān)。不同的液體由于它們有不同的摩爾體積、分子極性和分子間作用力而具有不同的表面張力。實(shí)驗(yàn)表明：溫度對(duì)液體表面張力影響極大，表面張力隨溫度升高而減小，二者通常相當(dāng)準(zhǔn)確地成直線關(guān)系。表面張力與液體中含有的雜質(zhì)有關(guān)，有的雜質(zhì)能使表面張力系數(shù)減小，有的卻使之增大。表面張力還與液面外的物質(zhì)有關(guān)。

將表面清潔的鋁合金吊環(huán)掛在測(cè)力計(jì)上并垂直浸入液體中，使液面下降，當(dāng)?shù)醐h(huán)地面與液面平齊或略高時(shí)，由于液體表面張力的作用，吊環(huán)的內(nèi)外壁會(huì)帶起液膜。平衡時(shí)吊環(huán)重力為G，向上拉力F以及液體表面張力（忽略帶起的液膜的質(zhì)量）滿足

 

在吊環(huán)臨界脫離液體時(shí)，，即，則平衡條件近似為：

 

式中為吊環(huán)外徑，為吊環(huán)內(nèi)徑。則液體表面張力系數(shù)為：

 

實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)出。

本實(shí)驗(yàn)利用力敏傳感器測(cè)力，硅壓阻式力敏傳感器由彈性梁和帖在梁上的傳感器芯片組成，其中芯片由四個(gè)硅擴(kuò)散電阻集成一個(gè)非平衡電橋。當(dāng)外界壓力作用于金屬梁時(shí)，在 壓力作用下，電橋失去平衡，此時(shí)將有電壓信號(hào)輸出，輸出電壓大小與所加外力成正比。即

 

式中，F(xiàn)為外力大小，B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。

首先，進(jìn)行硅壓阻力敏傳感器定標(biāo)，然后，求得傳感器靈敏度B（單位為），再測(cè)出吊環(huán)在即將拉脫液面時(shí)（）電壓表讀數(shù)，記錄拉脫后（）數(shù)字電壓表的讀數(shù)，則有：

 

所以有：

 

故表面張力系數(shù)：

 

實(shí)驗(yàn)步驟：

1. 開機(jī)預(yù)熱15分鐘。

2. 對(duì)力敏傳感器進(jìn)行定標(biāo)。

將砝碼盤掛在力敏傳感器的掛鉤上，對(duì)儀器調(diào)零。然后將7個(gè)質(zhì)量均為0.5g的砝碼片依次放入吊盤中（注意：輕拿輕放，吊盤晃動(dòng)將帶來電壓表的數(shù)字跳動(dòng)），分別記下電壓表的讀數(shù)。

3. 測(cè)定水的表面張力系數(shù)。

（1）在玻璃器皿內(nèi)放入一定量的純凈水，并把玻璃器皿安放在升降臺(tái)上（玻璃器皿底部可用雙面膠與升降臺(tái)面貼緊固定）；將鋁合金吊環(huán)掛在傳感器的小掛鉤上，調(diào)節(jié)升降臺(tái)，將液體升至靠近環(huán)片的下沿，調(diào)節(jié)吊環(huán)使之與待測(cè)液面平行。（注意：吊環(huán)中心、玻璃器皿中心最好與轉(zhuǎn)軸重合。）

（2） 調(diào)節(jié)容器下的升降臺(tái)，使其緩慢上升，將吊環(huán)的下沿部分全部浸沒于待測(cè)液體。然后反向調(diào)節(jié)升降臺(tái)，使液面緩緩下降。這時(shí)，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(cè)出環(huán)形液膜即將拉斷前一瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)值和液膜拉斷后數(shù)字電壓表讀數(shù)值。

 

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理：

（一）數(shù)據(jù)記錄

1. 硅壓阻力敏傳感器定標(biāo)

表1 力敏傳感器定標(biāo)                        單位：g, mV

物體質(zhì)量m	0.500	1.000	1.500	2.000	2.500	3.000	3.500
輸出電壓V

 

2.水的表面張力系數(shù)的測(cè)量

測(cè)量次數(shù)	/mV	/mV	/mV	/N	/
1
2
3
4
5
6
參數(shù)	=3.496cm，cm

  

（二）數(shù)據(jù)處理：

1. 用最小二乘法擬合得儀器的靈敏度B，其單位為。

2. 由計(jì)算水的表面張力系數(shù)；查閱水與空氣表面張力系數(shù)與溫度的關(guān)系表（見附表），得到水的張力系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值，然后計(jì)算相對(duì)誤差：。

問題回答：

1. 測(cè)量值時(shí)，為什么必須在液膜破裂時(shí)記錄數(shù)據(jù)？

2. 如果金屬環(huán)不清潔會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來什么影響？所測(cè)值偏大還是偏?。繛槭裁?？

 

注意事項(xiàng)：

1. 吊環(huán)必須清洗干凈，并用熱吹風(fēng)烘干。

2. 吊環(huán)水平必須調(diào)節(jié)好，注意偏差，測(cè)量結(jié)果引入誤差為；偏差，則誤差為。

3. 儀器需預(yù)熱15分鐘。

4. 在旋轉(zhuǎn)升降臺(tái)時(shí)，盡量使液體的波動(dòng)要小。

5. 工作室不宜風(fēng)力較大，以免吊環(huán)擺動(dòng)致使零點(diǎn)波動(dòng)，所測(cè)系數(shù)不正確。

6. 若液體為純凈水，在使用過程中防止灰塵和油污及其它雜質(zhì)污染。特別注意手指不要接觸被測(cè)液體。

7. 力敏傳感器使用時(shí)用力不宜大于0.098N。過大的拉力會(huì)使傳感器容易損壞。

8. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后須將吊環(huán)用清潔紙擦干，用清潔紙包好，放入干燥缸內(nèi)。

 

附表：       水與空氣的表面張力系數(shù)與溫度的關(guān)系    （，）

t	0	5	10	15	20	25	30	40
T	7.56	7.49	7.42	7.35	7.28	7.20	7.12	6.96

T標(biāo)準(zhǔn)值的尾數(shù)求法：在5之內(nèi)用線性內(nèi)插法求出，即5之內(nèi)近似看作均勻變化。其余見書所述。