大學物理實驗——表面張力系數(shù)

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大學物理實驗報告 題目 液體表面張力系數(shù)的測定 專業(yè)班次 姓名 日期 2014 10 14 1 實驗名稱 液體表面張力系數(shù)的測定 2 實驗任務 1 用砝碼對硅壓阻力敏傳感器進行定標 計算該傳感器的靈敏度 學習傳感器的定標 方法 2 觀察拉脫法測液體表面張力的物理過程和物理現(xiàn)象 并用物理學基本概念和定律進 行分析和研究 加深對物理規(guī)律的認識 3 測量室溫下水的表面張力系數(shù) 3 實驗儀器 液體表面張力系數(shù)測定儀 垂直調節(jié)臺 硅壓阻力敏傳感器 鋁合金吊環(huán) 吊盤 砝 碼 玻璃皿 鑷子和游標卡尺 4 實驗原理 1 硅壓阻力敏傳感器的靈敏度 當傳感器的力臂發(fā)生形變時 硅力敏傳感芯片就會把這一形變轉變成電壓值 有數(shù)字 電壓表顯示出來 在彈性范圍內 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 實驗的基本構思與原理 在實驗中 將一個金屬圓環(huán)固定在傳感器上 該環(huán)浸沒于液體中 當把圓環(huán)漸漸從液 體中拉起時 金屬圓環(huán)會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)外徑和內徑 為液體表面張力系數(shù) 在液面拉脫的瞬間 這個表面膜的拉力消失 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 只要測量出 U1 U2 B D1 和 D2 就能得到液體的表面張力系數(shù) 5 實驗操作步驟 1 力敏傳感器的定標 每個力敏傳感器的靈敏度都有所不同 在實驗前 應先將其定標 步驟如下 1 打開儀器的電源開關 將儀器預熱 2 在傳感器梁端頭小鉤中 掛上砝碼盤 調節(jié)電子組合儀上的補償電壓旋鈕 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 等質量的砝碼 記錄相應這 些砝碼力 F 作用下 數(shù)字電壓表的讀數(shù)值 U 2 環(huán)的測量與清潔 1 用游標卡尺單次測量金屬圓環(huán)的外徑 D1 和內徑 D2 2 環(huán)的表面狀況與測量結果有很大的關系 實驗前應將金屬環(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 調節(jié)升降臺 將液體升至靠近環(huán)片的下沿 觀察環(huán)狀吊片下沿與待測液面是否平行 如果不平行 將金屬環(huán)狀吊片取下后 調節(jié)吊片 上的細絲 使吊片與待測液面平行 調節(jié)容器下的升降臺 使其漸漸上升 將環(huán)片的下沿部分全部浸沒于待測液面 然 后反向調節(jié)升降臺 使液面逐漸下降 這時 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 重復測量 6 次 將實驗數(shù)字代入公式 3 求出液體表面張力系數(shù) 并與標準值進行比較 6 實驗數(shù)據(jù)表格及處理 力敏傳感器定標 物體質量 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)測量 測量次數(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 物體質量 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 時的張力系數(shù)分別為 71 8 N m 和 72 0 N m 3 7 實驗結論 本實驗在常溫下進行 采用了拉脫法測量水的表面張力系數(shù) 由于實驗使用的是自來 水 參雜了一些表面活性物質 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 排除實驗操作的絕對誤差 在相對誤差允許的范圍內 本實驗測定了水的表面張力系數(shù) m N102 693 8 實驗誤差分析 1 定標時 由于砝碼盤的晃動使得傳感器受到大于砝碼盤 含砝碼 重力的力 導致 定標時測得的靈敏度變大 最終使液體表面張力系數(shù)測量結果變小 2 如果吊環(huán)不水平 則會導致吊環(huán)在上升的時候 水膜不是同時破裂 實際作用在吊 環(huán)的作用力只有吊環(huán)周長的一部分 這會導致最后測得的結果偏小 3 在觀察水膜破裂前后電壓變化的時候 如果吊環(huán)上升過快 傳感器尚未顯示出最大 電壓值時水膜已破裂 這樣也會造成最終測量結果偏小 4 實驗使用的不是純凈水而是自來水 故實驗本身已不具備高精確性 9 實驗思考題 1 測量前為什么要對整機進行預熱 答 儀器元件通電工作時會隨著時間的延長而產生溫度變化 在實驗 過程中 溫度的變化所產生的技術參數(shù)變化的誤差越小越好 而電子元件 在通電工作一段時間后 它的各項參數(shù)就基本可以穩(wěn)定了 這時進行電子 測量是最精確的 所以 精密的電子測量儀器都需要通電預熱時間的 2 要得到準確的測量結果 實驗中的哪幾個步驟最為關鍵 你為做好這幾 步驟的測量采取了什么措施 措施是否奏效 你認為是為什么 答 a 力敏傳感器定標之前應先調零 待電壓表輸出穩(wěn)定后再讀數(shù) b 砝碼應輕拿輕放 避免砝碼盤晃動 這樣傳感器受到的力才會等于砝 碼重力 c 實驗儀器應先預熱 這樣會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 緩慢旋轉升降臺 避免水晃動 這樣會使得整個 水膜一次性脫離吊環(huán) 得到水膜的最大張力 我在實驗中通過反復調整吊 環(huán)水平姿勢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 應減慢升降臺的下降速度 仔 細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 將會測量帶來什么影響 所測 值 偏大還是偏小 為什么 答 水不夠純凈或參雜了雜質 都會使得測量結果偏大或偏小 若參 雜了表面活性物質或者表面張力系數(shù)更小的液體 則會使得水膜的張力變 小 測的結果自然也變小 反之參雜了表面非活性物質或者張力系數(shù)較大 的液體 就會使得測量結果偏大 4 你認為該試驗在那些地方還可以改進 怎樣改進 答 首先實驗可以采用純凈水來做 這樣會使得實驗更具精確性 然 后實驗儀器也要盡量潔凈 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 實驗更精確