1《液体表面张力系数的测量》教案(专业物理)

1《液体表面张力系数的测量》教案（专业物理）——辽宁科技大学理学院实验中心周次9-12教学对象物理本科专业课时3备注实验名称液体表面张力系数的测量教学目的1、了解硅压阻式力敏传感器的测量原理，以及用传感器将非电学量转化为电学量的方法；2、掌握用拉脱法测量液体表面张力系数；3、学会双变量数据处理方法；重点拉脱法测量原理；难点电压读数位置；关键点受力分析；教学方法讲授法、启发式；教学器材FD-NST-I型液体表面张力系数测定仪；数字式毫伏表；游标卡尺；温度计；砝码（10）；氢氧化钠溶液；纯水（或乙醇、丙三醇等）；教学过程教学内容时间分配课前预习主要检查预习报告内容是否完整，数据表格是否符合要求。5复习提问5引入新课液体表面张力是表征液体物理性质的一个重要参量。测量液体表面张力系数常用的方法之一是拉脱法，该方法的特点是：用称量仪器直接测量液体表面张力，测量方法直观、概念清晰。由于用此方法液体表面张力大约在321.010~1.010N/m之间，因此需要有一种量程范围小、灵敏度高、而且稳定性好的测力仪器，硅压阻式力敏传感器测定仪正能满足测量需要，它不仅灵敏度高、稳定性好，而且可以用数字信号显示，便于计算机实时测量。今天我们就共同来学习拉脱法测量液体表面张力系数。2新课讲授一、实验原理：1、液体表面张力系数：图1液体表面张力示意图液体的表面，由于表层内分子力的作用，存在着一定张力，称为表面张力，正是这种表面张力的存在使液体的表面犹如张紧的弹性模，有收缩的趋势。设想在液面上有一条直线，表面张力就表现为直线两旁的液面以一定的拉力f相互作用。f存在于表面层，方向恒与直线垂直，大小与直线的长度L成正比，即：252fL比例系数α称为一条的表面张力系数，单位N/m。它的大小与液体的成分、纯度以及温度有关（温度升高时，α值减小）。2、拉脱法测量液体表面张力系数：测量一个已知长度的金属片从待测液体表面脱离时需要的力，从而求得表面张力系数的实验方法称为拉脱法。若金属片为环状时，考虑一级近似，可以认为脱离力（即：表面张力）为表面张力系数乘以脱离表面的周长。即：12()fDD得表面张力系数：12()fDD其中，f为拉脱力；D1、D2分别为圆环的外径和内径；а为液体表面张力系数。3、力敏传感器测量拉力的原理：硅压阻力敏传感器由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成，其中芯片由4个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥。当外界压力作用于金属梁时，电桥失去平衡，产生输出信号，输出电压与所加外力成线性关系，即：UKF其中，K为力敏传感器的灵敏度（mV/N），其大小与输入的工作电压有关；F为所加的外力；U为输出的电压。1.底座及调节螺丝2.升降调节螺母3.培养皿4.金属片状圆环5.硅压阻式力敏传感器及金属外壳6.数字电压表图2液体表面张力测量装置对于本实验装置，工作原理如下：（1）液膜被拉断前：cosFmgf拉断前瞬间，0，cos1，即：Fmgf；此时，数字电压表示数为U1，则：1UFmgfK。3（2）液膜被拉断后（瞬间）：Fmg此时，数字电压表示数为U2，则：2UFmgK。（3）液膜拉断前后拉力变化：12()UUUFmgfmgfKK又因为12()fDD所以12()UKDD注：实验表明，当金属环直径在3cm附近、而且金属环和液体的接触角近似为0时，运用上述公式计算各种液体的表面张力系数的结果较为正确。二、实验任务与要求：1、力敏传感器的定标，求出灵敏度K；2、测量待测液体（纯水、乙醇、丙三醇）的表面张力系数；3、研究表面张力系数随液体的浓度变化规律；（选做）三、实验步骤：1、力敏传感器的定标：（1）接通电源，将仪器预热15分钟；（2）在传感器横梁端的小钩上挂上砝码盘，调节调零旋钮（电子组合仪上的补偿电压旋钮）使数字电压表示数为零（注意：调零后此旋钮不能再动）；（3）在砝码盘中分别加入等质量mi（每个砝码0.0005kg）的砝码，记录对应质量下的电压表读书Ui，填入表1；（4）用作图法（或其它双变量数据处理方法）做直线拟合，求出传感器灵敏度K；2、测量液体表面张力系数：（1）用游标卡尺测量金属环的外径D1、内径D2；（2）将金属环吊片在NaOH溶液中浸泡20-30秒，然后用清水洗净（因为环表面状况与测量结果有很大关系）；（3）将金属环吊片挂在传感器的小钩上，调节升降台将液体升至靠近金属环下沿，观察金属环下沿与待测液面是否平行。如果不平行，将金属环取下，调节环片上的细丝，使之与液面平行（偏差增加1度，测量误差将增加0.5%）；（4）调节玻璃皿下的升降台，使环片下沿全部浸入待测液体中，然后反向匀速下降升降台，使金属环片与液面间形成一个环状液膜。继续下降液面，观察电压表读数，测量出液膜拉断前后瞬间电压值U1、U2记录在表格中；4（5）重复测量U1、U2各8次；（6）将数据带入液体表面张力系数公式，求出待测液体在某温度下的表面张力系数，并对结果做出评价（亦可与标准值进行比较）；（7）整理仪器；3、研究表面张力系数随液体的浓度变化规律（选做）：四、数据记录：表1力敏传感器的定标次数1234567m/kg0.00050.00100.00150.00200.00250.00300.0035U/mv表2金属环的外径D1和内径D2次数12345D1/mD2/m表3液体（纯水）表面张力系数的测量数据次数12345678U1/mVU2/mVU/mV温度标准值五、数据处理：1、力敏传感器的定标（作图法）：（1）中值点：P（x，y）......()......()xmgyUmV（2）取点：M1（，）、M2（，）（3）灵敏度K：...3UKm位有效数字mV/g311...3109.7912KK位有效数字mV/N2、金属环内、外径的数据处理：（选做）（1）1111......niiDDnm2211......niiDDnm5（2）11111()()...2(1)niiADDuSDnn位有效m22122()()...2(1)niiADDuSDnn位有效m（3）...23LBu位有效m（4）2211...2ABuuu位有效m2222...2ABuuu位有效m3、液体表面张力系数的数据处理：1112...3()UKDD位有效数字N/m.......11...3niin位有效数字N/m...E标标100％==2位有效数字％(1)EN/m...(......)N/m课堂小结本节课主要使学生理解测量方法和原理；2巩固练习思考与讨论：1、实验前为什么要对力敏传感器定标？2、定标后能否再调节调零旋钮，为什么？3、实验前为什么要对金属环进行清洁？4布置作业1、2、撰写实验报告。2学生操作教师个别指导；105板书设计6参考文献[1]李明等.大学物理实验教程[M].浙江大学出版社,2004.08(2):55-59.教学反思附录：1、纯水表面张力系数的标准值：温度（℃）1015202530(/)Nm0.074220.073490.072750.071790.071182、鞍山地区重力加速度29.7912/gmS。3、吊环直径参考值：D1/m0.03496D2/m0.03310