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液体表面张力

实验设计方案

实验题目

专业

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实验设计时间

了数字信号显示，并可利用计算机实时测量[2,3]．本文用力敏传感器对水、肥皂水溶液的表面张力系数进行了测量，并测量了肥皂水在不同浓度下的表面张力系数，得出了肥皂水水溶液表面张力系数与浓度的函数关系曲线

．

图1实验装置

1．立柱2．力敏传感器3．升降台4．底座

5．金属圆环6．大号培养皿7．数字电压表

2.实验原理

实验装置如图1所示．硅压阻式力敏传感器张力测定仪测量液体与金属相接触的表面张力，采用薄金属环作接触体，传感器装有数字式电压表用来显示输出量.在洁净的培养皿中注入适当的待测液体，然后把表面清洁的金属环浸入液体，保持金属环与液面垂直，由升降台控制液面使其缓慢下降，这时，金属环和液面间形成一环形液膜，在即将脱离时金属环受力情况如图2所示．

图2受力示意图

由于整个过程升降台是缓慢下降的，所以可以认为是匀速运动．金属环处于平衡状态，临脱离液面时金属环的重力mg、拉力F、液体的表面张力厂有如下关系

F=mg+f*cosθ（1）

金属环临脱离液面时，θ≈0，即cosθ≈1，F=F1，这时近似得到

f=F1一mg一a[∏(D1+D2)](2)

式中D1为金属环外径，D2为金属环内径.当金

属环拉脱水面后，F=F2，f=0，则

F2=mg(3)

拉力作用于硅压阻式力敏传感器的弹性梁上，液膜拉断前瞬间数字电压表读数U一KF，液膜拉断后瞬间(厂消失)数字电压表读数U1=

KF，它们之间的差值

△U=U1—U2=Kf(4)

或

a=△U/K*∏*(D1+D2)(5)

式中K为测力计的灵敏度，单位为mV／N．

3实验结果

3．1力敏传感器定标

力敏传感器定标数据见表1，定标曲线见图3，泰安地区的重力加速度g：9．7912m／s．

m/g

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

u/mv

10.6

21.5

32.2

42.8

53.5

64.3

74.9

f/n

0.010295

0.020881

0.031273

0.041567

0.051959

0.062448

0.072743

【定标曲线见附图3】

经过直线拟合后得出测力计的灵敏度K=9.7*10……-4，拟合的相关系数r=0．999998．

3．2测量金属环的内径、外径

D1/m

0.03492

D2/m

0.03310

3．3液体表面张力系数的测量

测量结果见表2．

由表2得a纯水=75．10×10-3N／m，a肥皂水=23．27×10-3N／m．

3．4不同浓度下肥皂水水溶液的表面张力系数

在调配浓度时采用质量比．现有浓度100的肥皂水，利用电子分析天平调配浓度，得到液体的表面张力系数后，绘制液体质量比R和此时的液体表面张力系数a的函数关系图．

液体温度为5℃

实验表明：肥皂水水溶液的表面张力系数随质量比的改变而变化．由图4可知在同一温度下，肥皂水的浓度增大，液体的表面张力系数趋于下降，但下降的速度逐渐平稳．

4讨论

1)由图4可知肥皂水水溶液的表面张力系数和浓度的关系应该有a=a0一AIn(1+Bc)．式中A，B为系数，C为浓度，a0为纯水的表面张力系数．纯水时C=0，a=a0．纯肥皂水时，C=1，口=75．1一AIn(1+B)=23．27．图4所示曲线就是a—c函数在c=0～1之间的曲线形式．得到溶液的液体表面张力系数随质量比(浓度)的变化曲线，有利于研究溶液的物理、化学性质．

2)用硅压阻式力敏传感器测量液体与金属相

接触的表面张力系数，误差在2%以下，本实验测量溶液在5℃

3)实验中注意金属环和培养皿的清洁及试剂的纯度．金属环不严格水平造成的误差不容忽视．文献[4]分析金属环水平偏差1o会造成0.5%的误差；金属环水平偏差2o会造成1.6%的误差．

数据记录表格：

浓度%

第一次测量

第二次测量

a

U1/mv

U2/mv

△U1/mv

U1

U2

△U2/mv

△U/mv

(N/m)/10-4