拉脱法测量液体表面张力系数的实验研究与优化-张淞淇 - 图文

拉脱法测量液体表面张力系数的实验研究与优化

学生姓名： 专业班级：机日083

拉脱法测量液体表面张力系数的实验研究与优化

（大连大学 机械工程学院 机日083 ）

[摘要]本文主要利用拉脱法（力敏传感器）测量液体表面张力系数，通过实验对其结果进

行分析总结，对拉脱法进行优化改进，初步得出提高测量准确度的方法。

[关键词]液体表面张力系数；拉脱法；力敏传感器 1、引言

液体分子之间的内聚力似的液体表面上存在这一种应力，即液体表面张力。它存在于极薄的液体表面层内，是沿着表面趋于收缩的应力，而液体表面张力系数是表征液体这一性质的常数。单位长度液膜上的表面张力的大小为液体的表面张力系数。

拉脱法由于操作简单，是测量液体表面张力系数的常用方法，但在准确度、灵敏度、稳定性等方面还存在不足，本文旨在对大学物理实验中拉脱法的实验的操作和结果的分析，与其他方法进行简单比较，提高液体表面张力系数测量的准确性。

2、大学物理实验中拉脱法测量液体表面张力系数的实验

2.1实验目的

了解液体表面性质；学习采用液体表面张力系数测定仪的使用方法；学习用拉脱法测表面张力系数的原理和方法。

2.2实验原理

测量一个已知周长的金属圆环或金属片从待测液体表面脱离时所需的拉力，从而求得该液体表面张力系数的方法称为拉脱法。所需的拉力是由液体表面张力、环的内外径及液体材质、纯度等因素决定。

使用片状吊环，在液膜拉破前瞬间，考虑一级近似，认为液体的表面张力为：

f = f1 + f2 = αл(D1+ D2)

这里α为表面张力系数，D1、D2分别为吊环的外径和内径。 片状吊环在液膜拉破前瞬间有：

此时传感器受到的拉力F1和输出电压U1成正比，有： U1 = BF1 片状吊环在液膜拉破后瞬间有： F2 = mg 同样有 U2 = BF2

片状吊环在液膜拉破前后电压的变化值可表示为：

U1－ U2 = △U = B· △F = B（F1－ F2）= Bαл(D1+ D2)

由上式可以得到液体的表面张力系数为：??U1?U2

B?(D1?D2)这里U1：液膜拉断前瞬间电压表的读数，U2：膜拉断后瞬间电压表的读数

2.3实验内容

（1）游标卡尺测量金属圆环的内、外直径。

（2）力敏传感器进行定标，用最小二乘法作直线拟合，求出传感器灵敏度B。 （3）金属环状吊片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，将金属环状吊片取下后，调节吊片上的细丝，使吊片与待测液面平行。（注意 ：吊环中心、玻璃皿中心最好与转轴重合。） （4）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环形液膜，出现“浸润”现象，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 U1和液膜拉断后一瞬间数字电压表读数值U2。（注意 ：液膜断裂应发生在转动的过程中，而不是开始转动或转动结束时，因为此时振动较厉害，应多次重复测量。）

图1 油膜收缩

2.4实验仪器

液体表面张力测定装置、PC（装有测量软件）砝码盘和砝码、圆环型吊片、卡尺

图2 液体表面张力测定装置图

2.5实验步骤

（1）打开PC和表面张力系数测定仪，把仪器读数调整为正数。 （2）运行软件，进行灵敏度测量。

（3）在力敏传感器挂钩上挂上托盘，操作软件进行录入。 （4）依次添加砝码，并分别录入数据。

（5）利用软件算出灵敏度，绘出线性图形（如图3）并进行存盘。 （6）在培养皿中倒入水，放在托台上。

（7）将金属圆环挂在力敏传感器的挂钩上，并调节其水平。 （8）将圆环降到待测液体表面以下。

（9）打开软件开始测量，手动升高圆环，直至与液面脱离。 （10）停止软件录入，对已录数据及图形进行保存。 2.6实验结果

图3 力敏传感器灵敏度线性图

力敏传感器定标 物理质量m/g 输出电压V/mv 灵敏度为8569.8

0.500 620.3 1.000 663 1.500 704.1 2.000 750 2.500 780 3.000 833.6 3.500 874.7

图4 水的表面张力系数测定图

计算得出，水的表面张力系数K=7.81*10^-5

图5 磁性液体表面张力系数测定图

磁性液体的比面张力系数k=3.47*10^-5

图6 酸奶的表面张力系数测定图

酸奶的表面张力系数k=6.55*10^-5

纯水在不同温度下的表面张力系数如下： 温度（℃） σ 0 ....................... 7．56 5 ........................7．49 10 ......................7．42 15 ......................7．35 20 ..................... 7．28

25 ..................... 7．20

通过计算，拉脱法的测量值和理论值的误差为6.3%，误差较大。 2.7实验分析与优化

用拉脱法测量液体表面张力系数虽然简洁直观、操作简单，但是一些步骤会造成不必要的误差。主要误差原因有：金属圆环与液面的平行度不够；液体的深度；突然上升或下降时的振动和惯性；以及温度的影响。还有一种隐形的因素，如果砝码盘的质量大于金属吊环的质量，那么测量时的电压表数值就不在定标范围内了。

提出解决办法：

（1）把吊环和上面的挂环做成一体并保证钩与环垂直，在水槽支架上安装调节水平装置。

（2）对于温度导致的误差我们可以用加恒温槽的办法解决，具体方案如图7。

图7 加恒温槽的实验装置图

（3）对于定标范围的影响，我们可以实现准备质量小于金属吊环质量的砝码盘，以确保定标后再挂上金属吊环的拉膜过程中，电压表的示数始终都在定标范围之内，从而提高液体表面张力测量的准确度。

参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/od2h.html