实验九 液体表面张力系数的测定

实验九 液体表面张力系数的测定 液体的表面张力是表征液体性质的一个重要参数(测量液体的表面张力系数有多种方法，拉脱法是测量液体表面张力系数常用的方法之一(该方法的特点是，用秤量仪器直接测量液体的表面张力，测量方法直观，概念清楚(用拉脱法测量液体表面张力，对测量力的仪器要 -3-2求较高，由于用拉脱法测量液体表面的张力约在1×10,1×10 N之间，因此需要有一种量程范围较小，灵敏度高，且稳定性好的测量力的仪器(近年来，新发展的硅压阻式力敏传感器张力测定仪正好能满足测量液体表面张力的需要，它比传统的焦利秤、扭秤等灵敏度高，稳定性好，且可数字信号显示，利于计算机实时测量，为了能对各类液体的表面张力系数的不同有深刻的理解，在对水进行测量以后，再对不同浓度的酒精溶液进行测量，这样可以明显观察到表面张力系数随液体浓度的变化而变化的现象，从而对这个概念加深理解。 实验目的 1(用拉脱法测量室温下液体的表面张力系数 2(学习力敏传感器的定标方法 实验仪器 DH607液体表面张力系数的测定仪，吊环，砝码盘，砝码，镊子，玻璃器皿 实验原理 测量一个已知周长的金属片从待测液体表面脱离时需要的力，求得该液体表面张力系数的实验方法称为拉脱法(若金属片为环状吊片时，考虑一级近似，可以认为脱离力为表面张力系数乘上脱离表面的周长，即 (1) f,,,(D，D)12 f式中，为脱离力，D，D分别为圆环的外径和内径，,为液体的表面张力系数(测量金属12 f片从待测液体表面脱离时需要的力，对金属环进行受力分析，液膜拉断之前金属环的受力表达式为: F,mg，fcos, ff式中:F为向上的拉力, mg为金属环的重力, 为液体的表面张力, ,为与竖直方向的夹角。 0,F,mg，f,,0F,mg液膜拉断瞬间, , 。液膜拉断后有, 则 f,F,mg (2) F可由硅压阻式力敏传感器测出，是此实验的关键。硅压阻式力敏传感器由弹性梁 - 1 - 和贴在梁上的传感器芯片组成，其中芯片由四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，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，所加外力与输出电压大小成正此，即 U= K F (3) 式中，F为外力的大小，K为硅压阻式力敏传感器的灵敏度，U为传感器输出电压的大小。 ,U,KF,K(mg，f);液膜拉断后有, 则 液膜拉断瞬间, U,KF,Kmg12 (UU),12f, (4) K U,U12,,液体的表面张力系数: (5) ,K,(D，D)12 图9-1 金属环拉出液面后切面图 实验装置 图9-2为实验装置图，它包括硅扩散电阻非平衡电桥的电源和测量电桥失去平衡时输出电压大小的数字电压表(其他装置包括铁架台、微调升降台、力敏传感器、玻璃器皿和吊环。 图9-2 液体表面张力测定装置 实验步骤与内容 - 2 - 1、力敏传感器的定标 每个力敏传感器的灵敏度都有所不同，在实验前，应先将其定标，步骤如下: (1)打开仪器的电源开关，将仪器预热。 (2)在传感器梁端头小钩中，挂上砝码盘，调节电子组合仪上的补偿电压旋钮，使数字电压表显示为零。 (3)在砝码盘上分别为0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g、3.5g等质量的砝码，记录相应数字电压表的读数值U. (4)用最小二乘法作直线拟合,求出传感器灵敏度K. 2、环的测量与清洁 (1)用游标卡尺测量金属圆环的外径D和内径D 12 (2)环的表面状况与测量结果有很大的关系，实验前应将金属吊环浸泡在NaOH溶液中20-30秒，然后用净水洗净。 3、液体的表面张力系数 (1)将金属吊环挂在传感器的小钩上，调节升降台，将液体升至靠近环片的下沿，观察环状吊片下沿与待测液面是否平行，如果不平行，将金属环状片取下后，调节吊环上的细丝，使吊环与待测液面平行。 (2)调节容器下的升降台，使其渐渐上升，将环片的下沿部分全部浸没于待测液体，然后反向调节升降台，使液面逐渐下降，这时，金属环片和液面间形成一个环形液膜，继续下降液面，测出环形液膜即将拉断前一瞬间数字电压表读数值U和液膜拉断后一瞬间数字电压表1 读数值U。 2 (3)将实验数据代人公式(5)，求出液体的表面张力系数，并与标准值进行比较。 (4)注意事项:实验前应对吊环作净化处理, 吊环下边沿与待测液面平行，操作时动作要平稳连续,减少振动,但操作不宜过慢。 (5)水的表面张力系数的标准值: 水的温度t/C 10 15 20 25 30 -1(N.m) ,0.07422 0.07322 0.07275 0.07197 0.07118 max 4选做部分 测出其他待测液体，如酒精、乙醚、丙酮等在不同浓泄劲时的表面张力系数。 5 实验数据和处理方法 (1)传感器灵敏度定标的数据和处理方法 - 3 - 定标数据处理方法一:如表9-1。 1 2 3 4 5 6 7 次 数 0(初始) 0 砝 码 m (g) i 电 压U (mV) i n UUUUUU(,)，(,)，？，(,),,,1021，1ii,0i n K,n ,,mmmmmm(,)，(,)，？，(,),1021，1ii,0i n 定标数据处理方法二:(作图法) 学生自己设计 定标数据处理方法三:(逐差法) 学生自己设计 定标数据处理方法四:(最小二乘法) 如表9-2 =(U- U) 初始读数Uyi ii0 222 ,,y,a,Km,次数 mm(g) ym y iiiiiiiii(U) (mV) (mV) 0 0.5 1 1 2 1.5 3 2 4 2.5 5 3 6 3.5 7 平均值 2 - - - - 一元线性回归法求线性相关系数与灵敏度，一元线性回归是处理两个具有线性关系的变 量之间的关系的一种方法，通过数据分析找到二者之间的函数关系。本实验中这两个变量为 y,a，Km,和,，一元线性回归方程的形式可以写为:(y对应变量U) y,a，Km对于y和m相应测量了n次，测定方程有n个，即: (i=1,2,…,n) ii , 表示从回归直线上取得与对应的计算值;a是拟合直线的截距，K是拟合直y,U,Umii0i 线的斜率，又称为灵敏度。 令 111122m,m, y,y, , m,mm,y,m,y,,,,iiiiiiinnnn拟合的线性相关系数: - 4 - 2m,y,m,ym,y,m,y,miiiir,a,， 222222m,m(m,m)(y,y) m,y,m,yii,2K,g,9.794m,s灵敏度的估计值为:(重力加速度) 22m,m 回归直线灵敏度K的不确定度: n2(y,a,Km),iiu(y)i,1u(K),s(K),，其中 u(y),s(y),nn1n,222m,(m),,iin,,11ii 灵敏度K结果: ,K,K,u(K), ,u(K)E,，100%K,K, 2)水的表面张力系数的数据和处理方法 金属环外径D= 3.496 cm,内径D= 3.310 cm,温度t= ?， 湿度 12 表9-3 ,UU?U 1 2 编号 -1(mV) (mV) (mV) (N.m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 表面张力系数的估计值: ,U1,, ,U,,U,iK,(D，D)n12各参量的A类不确定度 n2(,U,,U),i,1i u(,U),An,1 - 5 - nn22(D,D)(D,D),22i,11i,1i,1iu(D),,0.001cm， u(D),,0.001cm2A1An,1n,1 各参量的B类不确定度 0.02mm0.1mVu()u()表,游,表面张力系数测定仪: 游标卡尺: BB33 液体表面张力系数的不确定度 , 2222222,,,,,,,,u(,U)u(D)u(D)u(表)u(游)u(游)u(K),,,,,,AAABB12B,,,,,,,,,,u(),,，，，，，，,,,,,,,,,,,,,,K,UDD,UDD,,,,,,,,,,,,,,1212 ,,,,,,()u,最后结果: ,,()u,，100%E,,,, 思考题 1用吊环提拉液膜，即将破裂时，成立，若过早读数，对实验结果会有什么影F,mg，f 响, 2 此实验的误差有哪些因素决定的, 3 吊环提拉液膜破裂后，为什么吊环会晃动的幅度比较大, - 6 -