1《液体表面张力系数的测量》教案(专业物理)

PAGEPAGE1《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：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：得表面张力系数：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：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：拉断前瞬间，，，即：；此时，数字电压表示数为U1，则：。（2）液膜被拉断后（瞬间）：此时，数字电压表示数为U2，则：。（3）液膜拉断前后拉力变化：又因为所以注：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；（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/mV/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（，）（2）取点：M1（，）、M2（，）（3）灵敏度K：mV/gmV/N2、金属环内、外径的数据处理：（选做）（1）mm（2）mm（3）m（4）mm3、液体表面张力系数的数据处理：N/mN/m％N/mN/m25<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><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