大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)——表面張力系數(shù)

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大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 題目 液體表面張力系數(shù)的測(cè)定 專業(yè)班次 姓名 日期 2014 10 14 1 實(shí)驗(yàn)名稱 液體表面張力系數(shù)的測(cè)定 2 實(shí)驗(yàn)任務(wù) 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 觀察拉脫法測(cè)液體表面張力的物理過程和物理現(xiàn)象 并用物理學(xué)基本概念和定律進(jìn) 行分析和研究 加深對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)識(shí) 3 測(cè)量室溫下水的表面張力系數(shù) 3 實(shí)驗(yàn)儀器 液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀 垂直調(diào)節(jié)臺(tái) 硅壓阻力敏傳感器 鋁合金吊環(huán) 吊盤 砝 碼 玻璃皿 鑷子和游標(biāo)卡尺 4 實(shí)驗(yàn)原理 1 硅壓阻力敏傳感器的靈敏度 當(dāng)傳感器的力臂發(fā)生形變時(shí) 硅力敏傳感芯片就會(huì)把這一形變轉(zhuǎn)變成電壓值 有數(shù)字 電壓表顯示出來 在彈性范圍內(nèi) 力臂的形變與掛鉤所受的力成正比 而硅力敏傳感芯片 的輸出電壓與力臂的形變成正比 也就是說傳感器的輸出電壓與掛鉤上所受的力成正比 其比值稱為傳感器的靈敏度 即 F BU 2 實(shí)驗(yàn)的基本構(gòu)思與原理 在實(shí)驗(yàn)中 將一個(gè)金屬圓環(huán)固定在傳感器上 該環(huán)浸沒于液體中 當(dāng)把圓環(huán)漸漸從液 體中拉起時(shí) 金屬圓環(huán)會(huì)受到液體表面膜的拉力作用 表面膜拉力的大小為 2121Drlf 式中 D1 D 分別為圓環(huán)外徑和內(nèi)徑 為液體表面張力系數(shù) 在液面拉脫的瞬間 這個(gè)表面膜的拉力消失 因此 金屬圓環(huán)拉脫瞬間前后傳感器受到的拉力差為 1 21Df 并以數(shù)字式電壓表輸出顯示為 2 BUf 1 式中 U1 為吊環(huán)即將拉斷液體柱前一瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)值 U2 為拉斷時(shí)瞬間數(shù)字電 壓表讀數(shù) B 為力敏傳感器的靈敏度 由 1 2 我們可以得到液體的表面張力系數(shù) 為 3 2121 D 因此 只要測(cè)量出 U1 U2 B D1 和 D2 就能得到液體的表面張力系數(shù) 5 實(shí)驗(yàn)操作步驟 1 力敏傳感器的定標(biāo) 每個(gè)力敏傳感器的靈敏度都有所不同 在實(shí)驗(yàn)前 應(yīng)先將其定標(biāo) 步驟如下 1 打開儀器的電源開關(guān) 將儀器預(yù)熱 2 在傳感器梁端頭小鉤中 掛上砝碼盤 調(diào)節(jié)電子組合儀上的補(bǔ)償電壓旋鈕 使數(shù)字 電壓表顯示為零 3 在砝碼盤上分別加 0 5g 1 0g 1 5g 2 0g 2 5g 3 0g 等質(zhì)量的砝碼 記錄相應(yīng)這 些砝碼力 F 作用下 數(shù)字電壓表的讀數(shù)值 U 2 環(huán)的測(cè)量與清潔 1 用游標(biāo)卡尺單次測(cè)量金屬圓環(huán)的外徑 D1 和內(nèi)徑 D2 2 環(huán)的表面狀況與測(cè)量結(jié)果有很大的關(guān)系 實(shí)驗(yàn)前應(yīng)將金屬環(huán)狀吊片在 NaOH 溶液中 浸泡 20 30 秒 然后用凈水洗凈 3 測(cè)量液體的表面張力系數(shù) 將金屬環(huán)狀吊片掛在傳感器的小鉤上 調(diào)節(jié)升降臺(tái) 將液體升至靠近環(huán)片的下沿 觀察環(huán)狀吊片下沿與待測(cè)液面是否平行 如果不平行 將金屬環(huán)狀吊片取下后 調(diào)節(jié)吊片 上的細(xì)絲 使吊片與待測(cè)液面平行 調(diào)節(jié)容器下的升降臺(tái) 使其漸漸上升 將環(huán)片的下沿部分全部浸沒于待測(cè)液面 然 后反向調(diào)節(jié)升降臺(tái) 使液面逐漸下降 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 U1 和液膜拉斷后一瞬間數(shù)字 電壓表讀數(shù)值 U2 重復(fù)測(cè)量 6 次 將實(shí)驗(yàn)數(shù)字代入公式 3 求出液體表面張力系數(shù) 并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較 6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格及處理 力敏傳感器定標(biāo) 物體質(zhì)量 m g 0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 輸出電壓 U mV 水的表面張力系數(shù)測(cè)量 測(cè)量次數(shù) D1 mm D2 mm U1 mV U2 mV U mV Nf310 m 3 1 2 3 4 5 6 力敏傳感器定標(biāo) 物體質(zhì)量 m g 0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 物體重力 G 10 3N 4 9 9 8 14 7 19 6 24 5 29 4 34 3 輸出電壓 U mV 12 6 27 9 41 3 53 8 66 4 80 2 93 8 由圖表可以得到傳感器的靈敏度為 B 2 7208V N 通過查詢資料知道純凈水在m N102 696543213 27 和 25 時(shí)的張力系數(shù)分別為 71 8 N m 和 72 0 N m 3 7 實(shí)驗(yàn)結(jié)論 本實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行 采用了拉脫法測(cè)量水的表面張力系數(shù) 由于實(shí)驗(yàn)使用的是自來 水 參雜了一些表面活性物質(zhì) 使得水的表面張力系數(shù)變小 與資料數(shù)據(jù)有一定出入 故 排除實(shí)驗(yàn)操作的絕對(duì)誤差 在相對(duì)誤差允許的范圍內(nèi) 本實(shí)驗(yàn)測(cè)定了水的表面張力系數(shù) m N102 693 8 實(shí)驗(yàn)誤差分析 1 定標(biāo)時(shí) 由于砝碼盤的晃動(dòng)使得傳感器受到大于砝碼盤 含砝碼 重力的力 導(dǎo)致 定標(biāo)時(shí)測(cè)得的靈敏度變大 最終使液體表面張力系數(shù)測(cè)量結(jié)果變小 2 如果吊環(huán)不水平 則會(huì)導(dǎo)致吊環(huán)在上升的時(shí)候 水膜不是同時(shí)破裂 實(shí)際作用在吊 環(huán)的作用力只有吊環(huán)周長的一部分 這會(huì)導(dǎo)致最后測(cè)得的結(jié)果偏小 3 在觀察水膜破裂前后電壓變化的時(shí)候 如果吊環(huán)上升過快 傳感器尚未顯示出最大 電壓值時(shí)水膜已破裂 這樣也會(huì)造成最終測(cè)量結(jié)果偏小 4 實(shí)驗(yàn)使用的不是純凈水而是自來水 故實(shí)驗(yàn)本身已不具備高精確性 9 實(shí)驗(yàn)思考題 1 測(cè)量前為什么要對(duì)整機(jī)進(jìn)行預(yù)熱 答 儀器元件通電工作時(shí)會(huì)隨著時(shí)間的延長而產(chǎn)生溫度變化 在實(shí)驗(yàn) 過程中 溫度的變化所產(chǎn)生的技術(shù)參數(shù)變化的誤差越小越好 而電子元件 在通電工作一段時(shí)間后 它的各項(xiàng)參數(shù)就基本可以穩(wěn)定了 這時(shí)進(jìn)行電子 測(cè)量是最精確的 所以 精密的電子測(cè)量儀器都需要通電預(yù)熱時(shí)間的 2 要得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果 實(shí)驗(yàn)中的哪幾個(gè)步驟最為關(guān)鍵 你為做好這幾 步驟的測(cè)量采取了什么措施 措施是否奏效 你認(rèn)為是為什么 答 a 力敏傳感器定標(biāo)之前應(yīng)先調(diào)零 待電壓表輸出穩(wěn)定后再讀數(shù) b 砝碼應(yīng)輕拿輕放 避免砝碼盤晃動(dòng) 這樣傳感器受到的力才會(huì)等于砝 碼重力 c 實(shí)驗(yàn)儀器應(yīng)先預(yù)熱 這樣會(huì)減小儀器元件溫度變化帶來的誤差 d 吊環(huán)必須保持水平 緩慢旋轉(zhuǎn)升降臺(tái) 避免水晃動(dòng) 這樣會(huì)使得整個(gè) 水膜一次性脫離吊環(huán) 得到水膜的最大張力 我在實(shí)驗(yàn)中通過反復(fù)調(diào)整吊 環(huán)水平姿勢(shì)并觀察其脫離水膜的過程 直到水膜和吊環(huán)一次性脫離 e 傳感器電壓示數(shù)從最大值開始減小時(shí) 應(yīng)減慢升降臺(tái)的下降速度 仔 細(xì)觀察水膜脫離那一瞬間的電壓差 并記錄下來 3 如果金屬圓環(huán)不清潔 水不夠純凈 將會(huì)測(cè)量帶來什么影響 所測(cè) 值 偏大還是偏小 為什么 答 水不夠純凈或參雜了雜質(zhì) 都會(huì)使得測(cè)量結(jié)果偏大或偏小 若參 雜了表面活性物質(zhì)或者表面張力系數(shù)更小的液體 則會(huì)使得水膜的張力變 小 測(cè)的結(jié)果自然也變小 反之參雜了表面非活性物質(zhì)或者張力系數(shù)較大 的液體 就會(huì)使得測(cè)量結(jié)果偏大 4 你認(rèn)為該試驗(yàn)在那些地方還可以改進(jìn) 怎樣改進(jìn) 答 首先實(shí)驗(yàn)可以采用純凈水來做 這樣會(huì)使得實(shí)驗(yàn)更具精確性 然 后實(shí)驗(yàn)儀器也要盡量潔凈 以免使得純凈水參雜 吊環(huán)還可以使用繩子來 拉起 這樣更容易保證吊環(huán)水平 實(shí)驗(yàn)更精確