武汉理工大学
现代数字信号处理在前沿学科中的应用实验报告基于sEMG时域特征的动作识别
学院：信息工程学院
学号：1049731503279
姓名：吴志勇
班级：电子154
实验基于sEMG时域特征特的动作识别
一、实验目的
1.了解肌电信号常用的时域分析方法；
2.利用MATLAB对肌电信号进行去噪、特征提取及动作识别；
二、实验设备
1.Wi-Fi表面肌电信号采集卡；
2.32位Windows XP台式机（Matlab 7.0软件）；
3.802.11b/g无线网卡；
三、实验内容
（1）学习信号的基本去噪方法，并用MATLAB实现；
（2）学习肌电信号常用的时域特征并利用Matlab来进行波形长度（WL）符号改变数（SSC）、过零点（ZC）、威尔逊赋值（WAMP）等特征的提取；
（3）学习神经网络信号处理方法，掌握BP神经网络的用法，将其用于肌电信号的动作识别。
学习以上三个部分，最终完成一整套肌电信号去噪、特征提取（选取一种特征）、基于特征的动作识别的MATLAB程序。
四、实验原理
（1）小波去噪
小波去噪方法是一种建立在小波变换基础上的新兴算法，基本思想是根据噪声在不同频带上的小波分解系数具有不同强度分布的特点，将各频带上的噪声对应的小系数去除，保留原始信号的小波分解系数，然后对处理后系数进行小波重构，得到纯净信号。
小波去噪的基本原理图如下
（2）特征提取
时域分析是将肌电信号看成均值为零，而方差随着信号强度的变化而变化的随机信号。时域特征的计算复杂度低，提取比较方便。
最常用的方法有：方差，过零点数（Zero Crossing, ZC ），Willison 幅值（Willison Amplitude, WAMP ），绝对值平均值 (Mean Absolute Value, MAV ）和波形长度（Wave length ，WL ）等。在实际应用中，为了让特征可以包含更多的信息，往往选择用不同的时域特征组合形成联合特征向量。我们主要介绍一下几种方法：
过零率（ZC ）：为波形通过零线的次数,从一定程度上反映了信号的频率特性。为了降低零点引入的噪声，往往会引入一个阈值δ。计算方式如下：
)(),sgn(11δ≥-+-++k k k k x x x x
（1）
Willison 幅值：是由Willison 提出一种对表面肌电信号的幅值变化数量进行计算的方法，经过后人的研究，对Willison 幅值的阈值有了明确的范围限定，目前认为V μ100~50 是最合适的阈值范围。其数学表示公式如公式（3-3）。
∑=+-=N
t i i x x f WAMP 1
1
（2）
其中：
??
?>=otherwise x if x f 阈值
01
)(
波形长度（WL ）：它是对某一分析窗中的波形长度的统计，波长可以体现该样本的持续时间、幅值、频率的特征。
∑-=-+=1
1
)
()1(1N i i x i x N WL
（3）
符号改变斜率（SSC ）：为信号的的频率性能提供了一些附加信息，对于3个连续的采样点，给定阈值ω，通过下面的公式计算波峰波谷的个数。
()()()N i x x x x i i i i ,,1,11 =≥-?-+-ω
（4）
（3） 神经网络
BP 神经网络又称误差反向传播（Back Propagation ），它是一种多层的前向型神经网络。在BP 网络中，信号是前向传播的，而误差是反向传播的。所谓的反向传播是指误差的调整过程是从最后的输出层依次向之前各层逐渐进行的。标准的BP 网络采用梯度下降算法，与Widrow-Hoff 学习规则相似，网络权值沿着性能函数的梯度反向调整。
前向型神经网络通常具有一个或多个由sigmoid 神经元构成的隐层，以及一个由线性神经元构成的输出层。多个具有非线性传递函数的神经元层使得网络可以学习输入和输出之间的非线性关系，而线性输出层使得网络可以产生[-1，+1]之外的输出值。
隐层)(tan 111,11b p IW sig a +=输出层
)
(211,22b a IW purelin a +=输入
由两层神经元构成的BP 网络结构
（1） BP 网络的训练算法
① BP 算法
BP 算法沿着误差函数减小最快的方向，也就是梯度的反方向改变权值和偏差，这一点与线性网络的学习算法是一致的。BP 算法的迭代计算公式可以表示为：
k k k k g a x x -=+1 （1）
其中，k x 代表当前权值和偏差，1+k x 代表迭代产生的下一次的权值与偏差，k g 为当前误差函数的梯度，k a 代表学习速率。
② 有动量的梯度下降算法
标准的梯度下降法在调整权值时，仅仅按照当前时刻的负梯度方向进行调整，并没有考虑以前各次运算步骤中的梯度方向，因此新的样本对迭代过程影响太大，可能会导致训练过程中调整方向发生震荡，导致不稳定和收敛速度慢的问题，有动量的梯度下降算法则考虑了往前时刻的贡献，其权值迭代算法为：
)1()()1[()()1(-+-+=+n D n D n w n w ij ij ααη （2）
其中，)1(),(-n D n D 分别表示n 时刻，n-1时刻的负梯度。由于加入了以前时刻梯度的贡献，相当于给迭代过程添加了一个低通滤波器，使得网络忽略误差曲面上细节特征，避免了陷入局部极小点的问题。
③ 共轭梯度算法
尽管标准的BP 算法采用梯度下降算法，权值和偏差沿误差函数下降最快的方向调整，但却并不一定是收敛最快的算法。在改进的BP 训练算法中，有一大类的算法称为共轭梯度算法。在这一类算法中，权值和偏差沿着共轭梯度方向进行调整，通常能够获得比标准的梯度算法更快的收敛速度。
共轭梯度算法的第一次迭代都是从最陡下降的梯度方向开始。梯度向量为：
00g p -= （3）
沿着此方向进行权值和偏差的调整，公式为：
k k k k g a x x +=+1 （4）
下一次搜索方向则由前两次搜索方向的共轭方向决定，表达式为：
1-+-=k k k k p g p β （5）
对于系数k β不同计算方法产生不同的共轭梯度算法。 a ）F-R 共轭梯度算法采取的系数确定方法为：
1
1--=k T k k T k k g g g
g β （6）
即本次迭代梯度相对于上一次迭代梯度的归一化值。 b ）P-R 共轭梯度算法采取的系数确定方法为：
1
11---?=k T k k T k k g g g
g β （7）
即上次迭代梯度与本次迭代梯度的内积对本次梯度的归一化值。 c ）Scaled 共轭梯度算法
到目前为止，讨论过的所有共轭梯度算法都需要在每一步迭代过程中对搜索方向进行计算，这样的计算量是比较大。对此moller 提出了Scaled 梯度搜索算法[4]，在每一步迭代过程中不计算搜索方向，以减少训练过程的计算量。其基本原理是利用下面介绍的L-M 算法与共轭梯度法相结合产生的。
④ L -M 算法
L-M 算法其权值和阈值的更新过程为：
e J I J J x x T T k k 11][-++-=μ （8）
其中，e 为期望输出与实际输出的误差；J 为误差对权值微分的Jacobi 矩阵；μ为标量因子。如果训练成功，误差性能函数减小，那么就减小μ的值；反之就减小其值。
五、实验步骤
（1） 数据格式转换：
N=4;%通道的个数
M=512;%每个通道的采样数
K=10;%每种类别所取的个数
P=6;%类别数
ClassPermode=10;%每类动作数据的个数
ClassNumber=6;%类别的个数
M=512;%每个样本点数据的个数
Channel=4;%通道的个数
Count=ClassPermode*ClassNumber*M;
sample_train=zeros(Count,Channel);%保存训练样本
sample_test=zeros(Count,Channel);%保存训练样本
for i=1:60
D=importdata(strcat('train2\Data',num2str(i),'.txt'));
sample=D.data;
sample_train(((i-1)*M+1:i*M),:)=sample(:,(2:5));%sample(:,(2:5));
end
for i=1:60
D=importdata(strcat('test2\Data',num2str(i),'.txt'));
sample=D.data;
sample_test(((i-1)*M+1:i*M),:)=sample(:,(2:5));
end
save sample_train sample_train
save sample_test sample_test
程序运行后，会看到文件夹中多出了sample_train和sample_test两个.mat文件。
（2）小波去噪及特征提取，选用WAMP特征的提取。
load 'sample_test.mat';
load 'sample_train.mat';
%%%%% 参数说明%%%%
Window=256;%分析窗口的长度
M=512; %采集数据时一个data的样本数
Channel=4; %采集数据的通道数
Class=6; %类别数
Number=10; %每个类别的个数
WinLap=64; %窗口移动的间隔
JudgeTime=Window/WinLap; %一个分析窗口需要移动的次数8
Count=M*Number*Class/WinLap-Window/WinLap+1; %所有数据需要分析的次数477 ClassCount=M*Number/WinLap-Window/WinLap+1; %一类数据需要的分析次数77 GapCount=M*Number/WinLap; %训练样本两类动作之间的间隔80
ClassOne=1;
ClassTwo=2;
ClassThree=3;
ClassFour=4;
ClassFive=5;
ClassSix=6;
%thr=0.2;
%%%%% train样本小波去噪%%%%%%%%%%
for i=1:Channel
x=sample_train(:,i);
[thr,sorh,keepapp]=ddencmp('den','wv',x);
[c,l]=wavedec(x,3,'db1');
a3=appcoef(c,l,'db1',3);
d3=detcoef(c,l,3);
d2=detcoef(c,l,2);
d1=detcoef(c,l,1);
s4=wdencmp('gbl',c,l,'db1',3,thr,sorh,keepapp);
new_train(:,i)=s4;
end
figure(1)
subplot(4,1,1);plot(sample_train(:,1),'r');hold on;plot(new_train(:,1),'b');legend('原始信号','去噪后信号');title('train样本滤波前后信号对比');
subplot(4,1,2);plot(sample_train(:,2),'r');hold on;plot(new_train(:,2),'b');
subplot(4,1,3);plot(sample_train(:,3),'r');hold on;plot(new_train(:,3),'b');
subplot(4,1,4);plot(sample_train(:,4),'r');hold on;plot(new_train(:,4),'b');
%%%%% trin样本特征提取%%%%%%
Threshold=0.006;
WAMP=zeros(Channel,Count);
for c=1:Count
for n=1:Channel
for w=1:Window-1
if(abs(new_train((c-1)*WinLap+w,n)-new_train((c-1)*WinLap+w+1,n))>Threshold)
WAMP(n,c)=WAMP(n,c)+1;
end
end
end
end
Feature_train=WAMP;
%figure(3)
%plot(Feature_train);
%%%%% test样本小波去噪%%%%%%
for i=1:Channel
x=sample_test(:,i);
[thr,sorh,keepapp]=ddencmp('den','wv',x);
[c,l]=wavedec(x,3,'db1');
a3=appcoef(c,l,'db1',3);
d3=detcoef(c,l,3);
d2=detcoef(c,l,2);
d1=detcoef(c,l,1);
s4=wdencmp('gbl',c,l,'db1',3,thr,sorh,keepapp);
new_test(:,i)=s4;
end
figure(2)
subplot(4,1,1);plot(sample_test(:,1),'r');hold on;plot(new_test(:,1),'b');legend('原始信号','去噪后信号');title('test样本滤波前后信号对比');
subplot(4,1,2);plot(sample_test(:,2),'r');hold on;plot(new_test(:,2),'b');
subplot(4,1,3);plot(sample_test(:,3),'r');hold on;plot(new_test(:,3),'b');
subplot(4,1,4);plot(sample_test(:,4),'r');hold on;plot(new_test(:,4),'b');
%%%%% test样本特征提取%%%%%%%
Threshold=0.006;
WAMP=zeros(Channel,Count);
for c=1:Count
for n=1:Channel
for w=1:Window-1
if(abs(new_test((c-1)*WinLap+w,n)-new_test((c-1)*WinLap+w+1,n))>Threshold)
WAMP(n,c)=WAMP(n,c)+1;
end
end
end
end
Feature_test=WAMP;
save feature Feature_train Feature_test;
train样本和test样本滤波前后信号对比。
（3）模式识别：
clear all;
close all;
load 'feature.mat'
Gap=80;
K=77;
Count=477;%共有477组特征值
P=6;%6类动作
Feature=Feature_test;%统一接口
test=Feature_train;%统一接口
net1=newff(minmax(Feature),[7,6],{'tansig','purelin'},'trainlm');
%net = newff ( A, B, {C} ,‘trainFun’)
%
% 参数：
%
% A：一个n×2的矩阵，第i行元素为输入信号xi的最小值和最大值；
% B：一个k维行向量，其元素为网络中各层节点数；
% C：一个k维字符串行向量，每一分量为对应层神经元的激活函数；常用的有：% 线性函数’purelin’，对数S形转移函数’logsig’ 双曲正切S形函数’ tansig’
% trainFun ：为学习规则采用的训练算法。也可以根据需要修改
%设置训练的输出目标矩阵
ze1=zeros(1,Gap)+1;
ze0=zeros(1,Gap);
ze1_6=zeros(1,K)+1;
ze0_6=zeros(1,K);
t=[ze1 ze0 ze0 ze0 ze0 ze0_6
ze0 ze1 ze0 ze0 ze0 ze0_6
ze0 ze0 ze1 ze0 ze0 ze0_6
ze0 ze0 ze0 ze1 ze0 ze0_6
ze0 ze0 ze0 ze0 ze1 ze0_6
ze0 ze0 ze0 ze0 ze0 ze1_6];
%神经网络进行训练
tic ;
net1.trainParam.show=200;
net1.trainParam.epochs=10000;
net1.trainParam.goal=0.1;
net1.trainParam.lr=0.01;
[net1,tr]=train(net1,Feature,t);
Y=sim(net1,Feature);
YS=sim(net1,test);
toc;
% 一些重要的网络配置参数如下：
% net.trainparam.goal ：神经网络训练的目标误差
% net.trainparam.show ：显示中间结果的周期
% net.trainparam.epochs ：最大迭代次数
% net.trainParam.lr ：学习率
% 语法：[ net, tr ] = train( net, X, Y )
% 参数：
% X：网络实际输入
% Y：网络应有输出
% tr：训练跟踪信息
% Y1：网络实际输出
% 语法：Y=sim(net,X)
% net：网络
% X：输入给网络的Ｋ×N矩阵，其中K为网络输入个数，N为数据样本数% Y：输出矩阵Q×N，其中Q为网络输出个数
%判断输出结果为第几类
maxY=max(Y,[],1);
for i=1:Count
for j=1:P
if(maxY(i)==Y(j,i)) class(i)=j;end
end
end
maxYS=max(YS,[],1);
for i=1:Count
for j=1:P
if(maxYS(i)==YS(j,i)) class_test(i)=j;end
end
end
T=Gap;%80
wrong=zeros(1,Count);
for k=1:Gap
if (class_test(k)~=1)
wrong(k)=wrong(k)+class_test(k);end
if (class_test(k+T)~=2)
wrong(k+T)=wrong(k+T)+class_test(k+T);end
if (class_test(k+2*T)~=3)
wrong(k+2*T)=wrong(k+2*T)+class_test(k+2*T);end
if (class_test(k+3*T)~=4)
wrong(k+3*T)=wrong(k+3*T)+class_test(k+3*T);end
if (class_test(k+4*T)~=5)
wrong(k+4*T)=wrong(k+4*T)+class_test(k+4*T);end
end
for k=1:K
if (class_test(k+5*T)~=6)
wrong(k+5*T)=wrong(k+5*T)+class_test(k+5*T);end
end
wrongall=sum(wrong);
figure(1);
i=1:Count;
plot(i,class_test(i),'ob');
hold on;
%stem(i,class(i),'b');
plot(i,wrong(i),'or');legend('正确的类别','错误的类别');title('分类结果'); accuracy=1-wrongall/Count%分类准确率
%save best net1;
识别结果如下图：
分类结果图
分类准确率（67.51%）
提高识别率的方法：改变BP网络隐含层节点数以及初始化各层之间的权值和阀值，可以提高最终的识别率。
六、实验现象及结果分析
滤波过程之后可以看到信号幅值有了较为明显的变化，说明小波去噪对于处理肌电信号有显著的效果。
可以通过不同的算法对去噪后的信号进行特征提取。
识别过程中，由于网络的各层之间的权值和阈值是由系统随机分配，因此每次识别的结果都不同。
七、总结
经过这次实验，我学习到了现代数字信号处理在处理实际问题中的应用，表面肌电信号的相关知识，如肌电信号的去噪，特征提取以及BP神经网络的使用方法。并且学习到了利用Matlab对数据进行相关的处理。模式识别在许多领域都有着广泛的应用，通过这门实验课的学习，为我以后的科研学习打下了良好的基础。
xx 大学实验报告 一【实验目的】 （1） 掌握力敏传感器的原理和方法 （2） 了解液体表面的性质，测定液体表面张力系数。 二【实验内容】 用力敏传感器测量液体表面的张力系数 三【实验原理】 液体具有尽量缩小其表面的趋势，好像液体表面是一张拉紧了的橡皮膜一样。 这种沿着表面的、收缩液面的力称之为表面张力。 测量表面张力系数的常用方法：拉脱法、毛细管升高法和液滴测重法等。此试验中采用了拉脱法。拉脱法是直接测定法，通常采用物体的弹性形变（伸长或扭转）来量度力的大小。液体表面层内的分子所处的环境跟液体内部的分子不同。液体内部的每一个分子四周都被同类的其他分子所包围，他所受到的周围分子合力为零。由于液体上方的气象层的分子很少，表层内每一个分子受到的向上的引力比向下的引力小，合力不为零。这个力垂直于液面并指向液体内部。所以分子有从液面挤入液体内部的倾向，并使得液体表面自然收缩，直到处于动态平衡。 假如在液体中浸入一块薄钢片，则钢片表面附近的液面将高于其它处的,如图1所示。 由于液面收缩而产生的沿切线方向的力Ft 称之为表面张力，角φ称之为接触角。当缓缓拉出钢片时，接触角φ逐
渐的减小而趋于零，因此Ft方向垂直向下。在钢片脱离液体前诸力平衡的条件为 F = mg + F t （1）其中F是将薄钢片拉出液面的时所施加的外力，mg为薄钢片和它所沾附的液体的总重量。表面张力Ft与接触面的周长2(l+d)成正比，故有Ft = 2σ(l+d),式中比例系数σ称之为表面张力系数，数值上等于作用在液体表面单位长度上的力。将Ft代入式（1）中得 （2） 当用环形丝代替薄钢片做此实验时，设环的内外直径为D1、D2,当它从液面拉脱瞬间传感器受到的拉力差 f = F–m g =π(D1+D2)σ,此时 （3）只要测出力f和环的内外直径，将它们代入式(3)，即可算出液体的表面张力系数σ。式中各量的单位统一为国际单位。 四【实验仪器】 （1）FD—NST—B 液体表面张力系数测定仪。 （2）砝码六个，每个质量 五【实验步骤】 （1）开机预热。 （2）清洗玻璃器皿和吊环。 （3）在玻璃器皿内放入被测液体并安放在升降台上。 （4）将砝码盘挂在力敏传感器上，对力敏传感器定标。 （5）挂上吊环，测定液体表面张力系数。当环下沿全部浸入液体内时，转动升降台的螺帽，使液面往下降。 记下吊环拉断液面瞬间时的电压表的读数U1，拉断后瞬间电压表的读数U2。则f=(U1-U2)/B 六【实验注意事项】 （1）轻轻挂上吊环，必须调节好水平。 （2）在旋转升降台时，尽量是液体的波动要小。
实验报告专用纸 实验一刺激强度、频率对肌肉的影响 一、实验目的 1.掌握蛙类坐骨神经腓肠肌标本的制备方法 2.观察组织的兴奋性、刺激与反应的规律以及骨骼肌收缩的特点 3.观察组织反应与刺激强度之间的关系，从而掌握阈强度、阈刺激、最大刺激等概念，理解动作电位“全或无”的特点 4.观察不同刺激频率对骨骼肌收缩的影响，从而了解强直收缩的机制 二、实验对象 蛙或蟾蜍 三、实验器材和药品 蛙类手术器械（蛙板、玻璃板、蛙钉、刺蛙针、粗剪刀、组织剪、眼科剪、镊子、玻璃分针、放污碟和棉线等），任氏液，烧杯，滴管，锌铜弓，双凹夹，铁架台，张力换能器，肌动器（肌槽），生物信号采集处理系统。 四、实验方法与步骤 1.破坏蛙脑和脊髓取蛙一只用自来水洗净，一手握蛙，小指和无名指夹住两后肢，用拇指按压背部，中指放在胸腹部，用食指下压头部前端使头前俯，另一只手持刺蛙针沿枕骨正中线向脊柱端触划，当触到凹陷处即为枕骨大孔。刺蛙针可由此垂直刺入枕骨大孔，再折向前方插入颅腔并左右搅动，捣毁脑组织；而后退针至皮下，针尖向右刺入椎管并上下搅动以破坏脊髓。当蛙四肢松软、下颌呼吸消失、反射消失则表示其脑和脊髓被完全毁坏，否则应重复以上操作。 2.剪除躯干上部及内脏在蛙骶髂关节水平以上1~2cm处用粗剪刀剪断脊柱，一手握双后肢，使蛙的头与内脏自然下垂，一手持粗剪刀，沿两侧将蛙的头、前肢和内脏全部剪除并置于放污碟内，仅保留蛙的双后肢、腰骶部脊柱及由它发出的坐骨神经丛（呈淡黄色）。 3.剥离皮肤一手持镊子夹住蛙脊柱端（注意镊子不要触及神经），另一手捏住其上的皮肤边缘，向下剥掉蛙的皮肤，然后将标本放在盛有任氏液的烧杯中备用。将手及使用过的手术器械洗净，防止蛙皮肤的分泌物可能对神经肌肉组织造成影响 4.分离双后肢用镊子从背位夹住脊柱将标本提起，用粗剪刀剪去向上突出的骶尾骨（注意勿损伤坐骨神经），再沿正中线将脊柱分为两半，并从耻骨联合剪开双后肢，最后将分离的双后肢浸入盛有任氏液的烧杯中。 5.游离坐骨神经取一侧后肢，腹面向上，用蛙钉将其固定在蛙板上，在大腿背侧的半膜肌与股二头肌之间用玻璃分针分离出坐骨神经。分离时要仔细用剪刀剪断坐骨神经的分支，向上分离至基部，向下分离至腘窝。保留与坐骨神经相连的一小块脊柱。 6.剔除肌肉，剪断股骨将分离出来的坐骨神经搭在腓肠肌上，用组织剪从膝关节周围向上剪除大腿的所有肌肉，将膝关节上方的股骨刮干净，暴露股骨并在距膝关节上1cm处用粗剪刀剪断。 7.分离腓肠肌，完成标本在腓肠肌跟腱处穿线结扎，提起结扎线，剪断结扎线后的跟腱，分离腓肠肌至膝关节处，在膝关节处将小腿除腓肠肌外的其余部分剪断，即制备出一个完整的坐骨神经-腓肠肌标本。 8.检查标本的兴奋性将浸在任氏液的锌铜弓短暂接触坐骨神经，若腓肠肌发生收缩，则表示标本的兴奋性良好，可放入任氏液中备用。 9.实验装置及标本安放将肌动器固定在铁架台的双凹夹上，并与张力换能器平行，然后把标本中预留的股骨固定在肌动器上，使肌肉处于自然拉长的长度；坐骨神经干放置在肌动器的刺激电极上，保持神经与刺激电极接触良好。将张力换能器与刺激电极分别连接生物信号采集与处理系统。 五、实验结果
液体表面张力系数的测定实验报告模板 【实验目的】 1．了解水的表面性质，用拉脱法测定室温下水的表面张力系数。 2．学会使用焦利氏秤测量微小力的原理和方法。 【实验仪器】 焦利秤，砝码，烧杯，温度计，镊子，水，游标卡尺等。 【实验原理】液体表面层内分子相互作用的结果使得液体表面自然收缩，犹如紧张的弹性薄膜。由于液面收缩而产生的沿着切线方向的力称为表面张力。设想在液面上作长为L 的线段，线段两侧液面便有张力作用，其方向与L 垂直，大小与线段L 成正比。即有：=γL 比例系数γ称为液体表面张力，其单位为N/m. 将一表面洁净的长为L 、宽为d 的圆形金属环（或金属丝）竖直浸入水中，然后慢慢提起一张水膜，当金属环将要脱离液面，即拉起的水膜刚好要破裂时，则有：F=mg+,式中F 为把金属环拉出液面时所用的力；mg 为金属环和带起的水膜的总质量；f 为张力。此时，与接触面的周围边界π（）,则 有γ= ，式中D1,D2分别为圆环的内外直径。 实验表明，γ与液体种类、纯度、温度和液面上方的气体成分有关，液体温度越高，γ值越小，液体含杂质越多，γ值越小，只要上述条件保持一定，则γ是一个常量，所以测量γ时要记下当时的温度和所用液体的种类及纯度。 【实验步骤】1.安装好仪器，挂好弹簧，调节底板的三个水平调节螺丝，使焦利称立柱竖直。在主尺顶部挂入吊钩再安装弹簧和配重圆柱体，使小指针被夹在两个配重圆柱之间，配重圆柱体下端通过吊钩钩住砝码托盘。调整小游标的高度使小游标左侧的基准线大致对准指针，锁紧固定小游标的锁紧螺钉，然后调节微调螺丝使指针与镜子框边的刻线重合，当镜子边框上刻线、指针和指针的像重合时（即称为“三线对齐”),读出游标0线对应刻度的数值。 2.测量弹簧的劲度系数k.依次增加 1.0g 砝码，即将质量为1.0g,2.0g,3.0g,…,9.0g,10.0g 的砝码加在下盘内。调整小游标的高度，每次都 F f F f F f F f D D 2 1 +) mg -F 21D D +∏(
用拉脱法测定液体表面张力系数 液体表层厚度约m 10 10 -内的分子所处的条件与液体内部不同，液体内部每一分子被周 围其它分子所包围，分子所受的作用力合力为零。由于液体表面上方接触的气体分子，其密 度远小于液体分子密度，因此液面每一分子受到向外的引力比向内的引力要小得多，也就是说所受的合力不为零，力的方向是垂直与液面并指向液体内部，该力使液体表面收缩，直至达到动态平衡。因此，在宏观上，液体具有尽量缩小其表面积的趋势，液体表面好象一张拉紧了的橡皮膜。这种沿着液体表面的、收缩表面的力称为表面张力。表面张力能说明液体的许多现象，例如润湿现象、毛细管现象及泡沫的形成等。在工业生产和科学研究中常常要涉及到液体特有的性质和现象。比如化工生产中液体的传输过程、药物制备过程及生物工程研究领域中关于动、植物体内液体的运动与平衡等问题。因此，了解液体表面性质和现象，掌握测定液体表面张力系数的方法是具有重要实际意义的。测定液体表面张力系数的方法通常有：拉脱法、毛细管升高法和液滴测重法等。本实验仅介绍拉脱法。拉脱法是一种直接测定法。 【实验目的】 1．了解326FB 型液体的表面张力系数测定仪的基本结构，掌握用标准砝码对测量仪进行 定标的方法，计算该传感器的灵敏度。 2．观察拉脱法测液体表面张力的物理过程和物理现象，并用物理学基本概念和定律进行分析和研究，加深对物理规律的认识。 3．掌握用拉脱法测定纯水的表面张力系数及用逐差法处理数据。 【实验原理】 如果将一洁净的圆筒形吊环浸入液体中，然后缓慢地提起吊环，圆筒形吊环将带起一 层液膜。使液面收缩的表面张力f 沿液面的切线方向，角?称为湿润角（或接触角）。当继续提起圆筒形吊环时，?角逐渐变小而接近为零，这时所拉出的液膜的里、外两个表面的张力f 均垂直向下，设拉起液膜破 裂时的拉力为F ，则有 f g m m F 2)(0++= （1） 式中，m 为粘附在吊环上的液体的质量，0m 为吊环质量，因表面张力的大小与接触面周边界长度成正比，则有 απ?+=)(2外内D D f （2） 比例系数α称为表面张力系数，单位是m N /。α在数值上等于单位长度上的表面张力。式中l 为圆筒形吊环内、外圆环的周长之和。 ) ()(0外内D D g m m F ++-= πα （3） 由于金属膜很薄，被拉起的液膜也很薄，m 很小可以忽略，于是公式简化为：
一实验目的 1、观察不同刺激强度和刺激频率对骨骼肌收缩的影响。 2、了解阈刺激、阈上刺激、最大阈刺激的概念和意义。 3、了解单收缩、不完全强直收缩，完全强直收缩的概念和意义。 二实验原理 由许多肌纤维组成的腓肠肌在受到不同强度的刺激时引起不同反应。刺激强度过小时发生阈下刺激（subthreshold stimulus），引起肌肉发生收缩反应的最小刺激强度为阈刺激（threshold stimulus）。使肌肉发生最大收缩反应的最小刺激强度为最适刺激强度。 肌肉组织对阈上刺激发生的单收缩的过程分为：潜伏期、收缩期、和舒张期。 同一强度的阈上刺激相继作用于神经-肌肉标本，根据刺激间隔与单收缩时程的关系会产生不同的现象；当同一强度的阈上刺激连续作用于标本时，根据后一收缩与前一收缩发生的时期关系可出现：强直收缩、不完全强直收缩和完全强直收缩。 三实验器材 蟾蜍，粗剪刀，玻璃分针，探针，木锤，镊子，培养皿，任氏液，娃板，保护电极，肌槽，张力转换器（100g），锌铜弓，微机生物信号处理系统。 四实验步骤 制作标本（观看视频）：毁脑脊髓、下肢标本制备、腓肠肌标本制备、连接仪器。（一）1打开计算机软件中的模拟实验。 2打开电源，对蟾蜍腓肠肌进行单刺激，频率为1HZ，电压由逐渐增大到，记录下每次增大电压后的收缩力。每个电压下刺激3次，记录数据。 3将图表截下来并画出数据表格进行分析。 （二）1打开计算机软件中的模拟实验。 2打开电源，对腓肠肌进行连续刺激，即使腓肠肌进行完全强直收缩。电压不变，频率由1HZ逐渐增加到12HZ，记录下每次增大频率之后的收缩力。 3将图表截下来并画出数据表格进行分析。 五结果
实验四溶液的吸附作用和液体表面张力的测定 一、实验目的 1．用最大泡压法测定不同浓度的表面活性物质（正丁醇）溶液在一定温度下的表面张力； 2．应用Gibbs和Langmuir吸附方程式进行精确作图和图解微分，计算不同浓度正丁醇溶液的表面吸附量和正丁醇分子截面积，以加深对溶液吸附理论的理解； 3．掌握作图法的要点，提高作图水平。 二、基本原理 T一定，溶液表面吸附量Γ γ测定，毛细管半径r，其抛压出时受到向下压力∏r2P,最大时离开管口：P max =P 外 -P 系 。测 Pmax 气泡在管口受到的表面张力：2∏r*γ γ=rPmax 用同C溶液γ 1/γ 2 =P max1 /P max2 所以：γ1=（γ 2/P max2 ）P max1 =KP max1 求常数K。 对于单分子吸附，其吸附量Γ与浓度c之间的关系可用等温吸附方程表示，即： 式中Гm为饱和吸附量，a为吸附平衡常数。将此式两边取倒数可整理成线性方程： 在饱和吸附时，每个被吸附分子在表面上所占的面积，即分子的截面积S为： 三、仪器与试剂 表面张力仪1套；恒温槽1台；1ml移液管1个；烧杯(250ml) 1个；100ml容量瓶1个；50ml容量瓶5个； 正丁醇(二级.)；去离子水. 四、实验步骤 样品编号123456789容量瓶体积/cm31005050505050505050 V醇/cm3 3．仪器系数的测定。先用少量丙酮清洗毛细管3，再用蒸馏水仔细清洗样品管2和毛细管3，然后加入适量蒸馏水。在减压管1中装满水，压力计5中注入适量的水，在活塞8打开的情况下，调节活塞6使毛细管端面与液面相切。关闭活塞8，打开活塞7使体系减压，当毛细管口逸出气泡时，调节活塞7使液滴缓慢滴下，读出数字式微压差测量仪最大数值。 再更换样品重复测定两次，取平均值。已知25o C水的表面张力＝，计算仪器系数K。 4．乙醇溶液表面张力的测定。取3％的乙醇溶液（一号样品）洗净样品管和毛细管，然后加入适量溶液，待恒温后，按上述操作步骤测定Δh。
液体表面张力实验报告 实验原理： 实验一、一元硬币上能承载几滴水? 水是由水分子组成，它们之间不是独来独往的，而是互相吸引，甚至三三两两地结合。处在中间的水分子受到来自四面八方的其他水分子的包围，受力均匀。可是处在水面的水分子情况不同，它的一面与空气接触，没有来自其他水分子的吸引力，使得它受力不均匀，水的表面好像一块张紧的弹性薄膜。 由于液体的表面有这种奇特的存在，就使得液体的表面总是处在被绷紧的状态，并尽量收缩到最小。由于在体积相同的条件下，球的面积最小，所以在表面张力的作用下，肥皂泡、小露珠、水银滴等也
就都收缩成球形了。一元硬币上能承载的水滴也相应增加了。 实验二、订书针、一分硬币能浮在水面上吗? 小木块入水后,撤掉压力还能上浮是因浮力作用，而订书针、硬币入水后,由于表面张力被破坏下沉,原来浮在水面是因水的表面张力。 其实科学就在我们的身边，就在我们的生活中，你也可以和爸爸妈妈一起动手做一做，亲自去感受去体验，做个科学小达人吧！ 处于表面的液体分子（球状模型，液体分子排列紧密），以分子B为中心的球面中的一部分在液体当中，另一部分在液面之外，由于对称性可知，CC'和DD'之间部分的受到的合力等于零；对B有效的作用力是由球面内DD'以下的部分受到的向下合力。由于处在边界内的每—个分子都受到指向液体内部的合力，所以这些分子都有向液体内部下降的趋势，同时分子与分子之间还有侧面的吸引力，即有尽量收缩表面的趋势。
以最简单的气液相界面为例，液相内分子周围所受的力是对称的，彼此相互抵消，但表面层分子由于受力不均衡，其结果受到垂直指向液体内部的拉力，所以液体表面都有自动缩小的趋势。如果要扩大表面就要把内层分子移到表面上来，这至少需要克服表面分子的拉力而做功。实际上液体分子内部所受的力是分子间作用力当然也包括氢键。因此，简单地说表面张力是范德华力和氢键微观作用在宏观上的表现。
实验名称:表面张力系数的测定 实验目的:着重学习焦利氏秤独特的设计原理，并用它测量液体的表面张力系数。 实验原理: 当液体和固体接触时，若固体和液体分子间的吸引力大于液体分子间的吸引力，液体就会沿固体表面扩展，这种现象叫润湿。若固体和液体分子间的吸引力小于液体分子间的吸引力，液体就不会在固体表面扩展，叫不润湿。润湿与否取决于液体、固体的性质，润湿性质与液体中杂质的含量、温度以及固体表面的清洁度密切相关。液体表层内分子力的宏观表现，使液面具有收缩的趋势。想象在液面上划一条线，表面张力就表现为直线两侧的液体以一定的拉力相互作用。这种张力垂直于该直线且与线的长度成正比，比例系数称为表面张力系数。 把金属丝AB 弯成如图5.2.1-1(a)所示的形状，并将其悬挂在灵敏的测力计上，然后把它浸到液体中。当缓缓提起测力计时，金属丝就会拉出一层与液体相连的液膜，由于表面张力的作用，测力计的读数逐渐达到一最大值F （超过此值，膜即破裂）。则F 应当是金属丝重力mg 与薄膜拉引金属丝的表面张力之和。由于液膜有两个表面，若每个表面的力为F’，则由 '2F mg F += 得 2 'mg F F -= （1） 显然，表面张力F’是存在于液体表面上任何一条分界线两侧间的液体的相互作用拉力，其方向沿着液体表面，且垂直于该分界线。表面张力F’的大小与分界线的长度成正比。即 l F σ=' （2） 式中σ称为表面张力系数，单位是N/m 。表面张力系数与液体的性质有关，密度小而易挥发的液体σ小，反之σ较大；表面张力系数还与杂质和温度有关，液体中掺入某些杂质可以增加σ，而掺入另一些杂质可能会减小σ；温度升高，表面张力系数σ将降低。
骨骼肌收缩实验 一．实验目的 １．肌肉标本收缩现象的描记及单收缩的分析，获得该肌肉收缩的阈值。 ２．了解刺激强度对骨骼肌收缩的影响。 ３．学习掌握刺激器和张力换能器的使用。 ４．加强对神经和肌肉了解，熟练解剖。、 二．实验原理 １．肌肉标本收缩现象的描记 利用刺激器可诱发蛙的离体神经肌肉标本发生兴奋收缩现象，可利用适当的参数和图形，客观、详细、准确地描述收缩的生理过程与现象。 骨骼肌受到一次短促的阈上刺激时，先是产生一次动作电位，紧接着出现一次机械收缩，称为单收缩。收缩的全过程可分为潜伏期、收缩期和舒张期。在一次单收缩中，肌峰电位的时程（相当于绝对不应期）仅1～2毫秒，而收缩过程可达几十甚至上百毫秒（蛙的腓肠肌可达100毫秒以上）。 2. 张力换能器 换能器是一种能将机械能、化学能、光能等非电量形式的能量转换为电能的器件或装置，并线性相关。利用物理性质和物理效应制成的物理换能器种类繁多，原理各异。张力换能器是一种能把非电量的 生理参数如力、位移等转换为电阻变化的间接型传感器，属于电阻应变式传感器。通常由弹性元件、电阻应变片和其他附件组成。弹性元件采用金属弹性悬梁，可根据机械力的大小选用不同厚度的弹性金属。弹性悬梁的厚度不同，张力换能器的量程亦不同。两组应变片r1、r4及r2、r3分别贴于梁的两面。两组应变片中间接一只调零电位器，并用5～6v直流电源供电，组成差动式的惠斯登桥式电路（非平衡式电桥）输出电压值与应变片所受力的大小成正比，即力的变化转换成电桥输出电压的变化。此电信号经过记录仪器的放大处理，就能描记出肌肉收缩变化的过程。 实验时，根据测量方向将换能器用"双凹夹"固定在合适的支架上。但由于双凹夹在支架上移位不方便，很难在小范围内做出精细的移位；移位不当，可能引起标本的损伤和换能器的损坏。故现多采用"一维微调固定器"，由上下位置调节钮控制，可在小范围内（上下）精细的移位。这不仅方便了实验操作，也有利于前负荷的控制。测量的方向，即力与位移的方向，要与张力换能器弹性悬梁的前端上下移动的方向保持一致。使能量转换和线性关系良好，符合张力换能器设计与使用上的要求。一般张力换能器的调零电位器设计为暗调节，为了方便使用，其暗调节孔朝上，故张力换能器有暗调节孔的一面为上。 3. 影响骨骼肌收缩效能的因素 肌细胞最本质的功能是将化学能转变为机械功，产生张力和缩短。肌肉收缩效能表现为收缩时产生的张力和/或缩短程度以及产生张力或缩短的速度。横纹肌的收缩效能由收缩前或收缩时承受的负 荷、自身的收缩能力和总和效应等因素决定的。（所谓总和指骨骼肌收缩的叠加效应）通过收缩的总和，骨骼肌可快速调节其收缩强度，而心肌则不会发生总和。由于在体的骨骼肌的收缩是受神经控制的，故收缩的总和是在中枢神经系统的调节下完成的。它有两种形式，即运动单位数量的总和与频率效应的总和。 4. 刺激强度与骨骼肌收缩反应 利用电脉冲刺激离体的神经肌肉标本，可观察到收缩总和的现象。实验证明刺激增加，参与收缩的运动单位增加，收缩的强度亦增加。刺激支配腓肠肌的坐骨神经或直接刺激腓肠肌时，不同的刺激强度会引起肌肉的不同反应。当全部肌纤维同时收缩时，则出现最大的收
液体表面张力系数的测定 ［实验目的］ 1、了解液体表面张力性质以及表面张力系数的含义和影响因素. 2、理解拉脱法测量液体表面张力系数的基本原理，了解测量方法。 3、了解用液体界面张力仪定标测量微小力的思想和方法。 4、了解液体界面张力仪的调节使用方法和校准方法。 5、熟悉实验的具体内容. 6、拟定出合理的实验数据记录表格. [实验原理] 表面张力是液体表面的重要特性,它类似于固体内部的拉伸应力，这种应力存在于极薄的表面层内，是液体表面层内分子力作用的结果。作用于液面单位长度上的表面张力称为液体的表面张力系数,用来度量表面张力的大小。表面张力系数不仅与液体的种类有关,而且还与温度、纯度、表面上方的气体成分等有关.物质液体状态的许多性质都与液体的表面张力相关,如毛细现象、浸润现象等。因此，测量液体表面张力系数对于科学研究和实际应用都具有重要意义。测定液体表面张力系数的常用方法有:拉脱法，液滴测重法和毛细管升高法等。拉脱法是一种直接测定法，通过物体的弹性形变（拉伸或扭转)来度量力的大小,如扭力天平法、焦力称法等。 实验中采用拉脱法测量水与空气界面的表面张力系数。通过实验可以重点学习如下内容:（1)实验方法:测量液体表面张力系数的拉脱法。（2)测量方法:用液体界面张力仪定标测量微小力的方法。(3）数据处理方法:质量标准曲线的绘制方法.（4）仪器调整使用方法:液体界面张力仪的调整使用方法。 ［实验内容］ 1、整液体界面张力仪水平和零点，达到待测状态. 2、准液体界面张力仪。 (1)金属环上放一块小纸片,仪器调零。包括两个方面的调节：第一,调节刻度盘蜗轮，使零刻度线与游标零线重合,即读数为零;第二,调节调零微调蜗轮，使吊杆臂上的指针与平面反射镜的红线重合。 （2)在小纸片上放质量0.０005kg的砝码,测量金属环单位长度的受力Ｆ，即调节刻度盘蜗轮使指针与红线重合时刻度盘的读数. （3)计算理论值F０=ｍg/π(d１＋d2）。 （4)比较测量值Ｆ与理论值Ｆ0，如果二者相等，说明校准准确;若不相等，调节两个吊杆臂，保证两臂的长度等值缩短或伸长,使刻度盘上的读数Ｆ与理论值F0相等.重复测量几次,直至二者一致为止. 3、测量绘制质量标准曲线。 (1)仪器校准后，放置不同质量m的砝码,记录刻度盘的读数f。 (2)以m为横坐标f为纵坐标绘制质量标准曲线。
实验二、用拉脱法测定液体的表面张力系数 液体表层厚度约m 10 10 -内的分子所处的条件与液体内部不同，液体内部每一分子被 周围其它分子所包围，分子所受的作用力合力为零。由于液体表面上方接触的气体分子，其密度远小于液体分子密度，因此液面每一分子受到向外的引力比向内的引力要小得多，也就是说所受的合力不为零，力的方向是垂直与液面并指向液体内部，该力使液体表面收缩，直至达到动态平衡。因此，在宏观上，液体具有尽量缩小其表面积的趋势，液体表面好象一张拉紧了的橡皮膜。这种沿着液体表面的、收缩表面的力称为表面张力。表面张力能说明液体的许多现象，例如润湿现象、毛细管现象及泡沫的形成等。在工业生产和科学研究中常常要涉及到液体特有的性质和现象。比如化工生产中液体的传输过程、药物制备过程及生物工程研究领域中关于动、植物体内液体的运动与平衡等问题。因此，了解液体表面性质和现象，掌握测定液体表面张力系数的方法是具有重要实际意义的。测定液体表面张力系数的方法通常有：拉脱法、毛细管升高法和液滴测重法等。本实验仅介绍拉脱法。拉脱法是一种直接测定法。 【实验目的】 1．了解737FB 新型焦利氏秤实验仪的基本结构，掌握用标准砝码对测量仪进行定标的方法； 2．观察拉脱法测液体表面张力的物理过程和物理现象,并用物理学基本概念和定律进行分析和研究,加深对物理规律的认识。 3．掌握用拉脱法测定纯水的表面张力系数及用逐差法处理数据。 【实验原理】 1．测量公式推导： 当逐渐拉提冂形铝片框时，?角逐渐变小而接近为零，这时所拉出的液膜前后两个表面的表面张力f 均垂直向下。设拉起液膜将破裂时的拉力为F ，则有 f 2 g )m m (F 0+?+= （1） 式中：m 为粘附在框上的液膜质量，0m 为线框质量。因表面张力的大小与接触面周界长度成正比，则有： )d L (2f 2+?α= （2） 比例系数α称表面张力系数，单位为m /N 。 由（1），（2）式得： ) d L (2g )m m (F 0+?+-= α （3） 由于冂形铝片框很薄，被拉起的水膜很薄，m 较小，可以将其忽略，且一般有d L >>，那么L d L ≈+，于是（3）式可以简化为 ： L 2g m F 0?-= α （4）
实验名称：坐骨神经腓肠肌标本制备& 不同强度和频率的刺激对肌肉收缩的影响 一、实验目的 ①掌握基本手术器械的使用方法，学习制备具有正常兴奋收缩功能的蛙类坐骨神经腓肠肌标本的基本操作技术。 ②学习神经-肌肉实验的电刺激方法及肌肉收缩的记录方法。 ③观察刺激强度与肌肉收缩反应的关系。 ④观察不同频率的阈上刺激引起肌肉收缩形式的改变及关系。 二、实验摘要 肌肉组织的兴奋主要表现为收缩活动。一个刺激是否能使组织发生兴奋，不仅与刺激形式有关，还与刺激时间、刺激强度有关。用方形电脉冲刺激组织，在一定的刺激时间（波宽）下，刚能引起组织发生兴奋的刺激称为阈刺激，所达到的刺激强度称为阈强度；能引起组织最大兴奋的最小刺激，称为最大刺激，相应的刺激强度叫最大刺激强度；界于阈刺激和最大刺激间的刺激称为阈上刺激，相应的刺激强度称为阈上刺激强度。 肌肉收缩的形式，不仅与刺激本身有关，而且还与刺激频率相关。若刺激频率较小，使刺激间隔大于一次肌肉收缩舒张的持续时间，则肌肉收缩表现为一连串的单收缩；增大刺激频率，使刺激间隔大于一次肌肉收缩舒张的时间、小于一次肌肉收缩舒张的持续时间，则肌肉产生不完全强直收缩；继续增加刺激频率，使刺激间隔小于一次肌肉收缩的收缩时间，则肌肉产生完全强直收缩。 三、材料与方法 （1）材料：培养牛蛙、任氏液、常用手术器械、粗剪刀、蛙板、蛙钉、锌铜弓、培养皿、滴管、棉线、张力换能器、双凹夹、三角支架、保护电极、一维位移微调器、RM6240C型多道生理信号采集处理系统 （2）方法： 1、坐骨神经腓肠肌标本制备 ①材料：牛蛙、常用手术器械、玻璃板、锌铜弓、培养皿、滴管、任氏液、粗剪刀、蛙板、蛙钉、粗棉线 ②方法：使用毁髓针将牛蛙进行双毁髓，用手术器械剥离后肢标本，依次分离两后肢，坐骨
浙江万里学院生物与环境学院 化学工程实验技术实验报告 实验名称：溶液表面张力的测定 （1）实验目的 1、掌握最大气泡法测定表面张力的原理和技术 2、通过对不同浓度正丁醇溶液表面张力的测定，加深对表面张力、表面自由能和表面吸附量关系的理解 3、学习使用Matlab 处理实验数据 （2） 实验原理 1、 表面自由能：从热力学观点看，液体表面缩小是一个自发过程，这是使体系总的自由能减小的过程。如欲使液体产生新的表面A ?，则需要对其做功。功的大小应与A ?成正比：-W=σA ? 2、 溶液的表面吸附：根据能量最低原理，溶质能降低溶液的表面张力时，表面层中溶质的浓度应比 溶液内部大，反之，溶质使溶液的表面张力升高时，它在表面层中的浓度比在内部的浓度低。这种表面浓度与溶液里面浓度不同的现象叫“吸附”。显然，在指定温度和压力下，吸附与溶液的表面张力及溶液的浓度有关。Gibbs 用热力学的方法推导出它们间的关系式 T c RT c )(??- =Γσ (1)当00，溶质能减少溶剂的表面张力，溶液表面层的浓度大于内部的浓度，称为正吸附，此类物质叫表面活性物质。（2）当0>??? ????T c σ时，Γ<0，溶质能增加溶剂的表面张力，溶 液表面层的浓度小于内部的浓度，称为负吸附，此类物质叫非表面活性物质。由 T c RT c )(??- =Γσ 可知：通过测定溶液的浓度随表面张力的变化关系可以求得不同浓度下溶液的表面吸附量。 3、 饱和吸附与溶质分子的横截面积：吸附量Γ浓度c 之间的关系，有Langmuir 等温方程 式表示：c K c K ·1·+Γ=Γ ∞
大连理工大学 大 学 物 理 实 验 报 告 院（系） 材料学院 专业 材料物理 班级 0705 姓 名 童凌炜 学号 5 实验台号 实验时间 2008 年 12 月 03 日，第15周，星期 三 第 5-6 节 实验名称 水表面张力系数的测定 教师评语 实验目的与要求： （1） 理解表面张力现象。 （2） 用拉脱法测定室温下水的表面张力系数。 主要仪器设备： FD-NST-I 型液体表面张力系数测定仪、砝码、镊子及其他相关玻璃器皿。 实验原理和内容： 分子间的引力和斥力同时存在，它们以及它们合力的大小随着分子间的距离的变化关系如图所示 对液体表面张力的理解和解释： 在液体和气体接触的表面有一个薄膜，叫做表面层，其宏观上就好像是一张绷紧了的橡皮膜，存在沿着表面并使表面趋于收缩的应力，这种力称为表面张力。 计算张力时可以做如下的假设：想象在表面层上有一条长度为L 的分界线，则界限两端的表面张力方向垂直于界限，大小正比于L ，即f=αL（α为液体表面张力系数）。 实验中， 首先吊环是浸润在水中的， 能够受到表面张力的拉力作用。 测定仪的吊环缓慢离开水面，将拉起一层水膜，并受到向下的拉力f 拉。由于忽略水膜的重力和浮力， 成 绩 教师签字
吊环一共受到三个力，即重力W 、液面的拉力f 拉、传感器的弹力F F f W =+拉 试验中重力是常量，而与表面张力相关的拉力却随着水膜的拉伸而增大。水膜被拉断前瞬间的f 拉，就是表面张力f 。 圆环拉起水膜与空气接触有两个表面层，若吊环的内、外直径分别为D 1、D 2,则界限长度 L=πD 1+πD 2。根据界线思想定义的张力计算式得f=αL，则有 12F απ=（D +D ） 水膜被拉断前传感器受力F 1 112F απ=（D +D ）+W 在水膜拉断后传感器受力F 2 2F =W 由上面两式得水的表面张力系数的计算公式为 ) (212 1D D F F +-= πα 步骤与操作方法： （1）力敏传感器的定标 i. 开机预热10分钟。 ii. 将仪器调零后，改变砝码重量，再记录对应的电压值。得到U-G 关系， 完成传感器的 定标。 （2）水的表面张力及吊环内外径的测量 i. 测量吊环的内径D 1和外径D 2（各测量4次取平均）。 ii. 严格处理干净吊环。先用NaOH 溶液洗净，再用清水冲洗干净。 iii. 在升降台上安放好装有清水的干净玻璃皿，并挂上吊环，调节吊环水平（此步重要， 细 微的水平位置偏差将导致结果出现误差）。 iv. 升高平台，当吊环下沿部分均浸入水中后，下降平台。观察环浸入液体中及从液体中 拉起时的物理过程和现象，记录吊环即将拉断液面前瞬间的电压表读数V 1和拉断后的电压表读数V 2（该步骤重复8次）。
肌肉收缩实验报告集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）
骨骼肌收缩实验 一．实验目的 １．肌肉标本收缩现象的描记及单收缩的分析，获得该肌肉收缩的阈值。 ２．了解刺激强度对骨骼肌收缩的影响。 ３．学习掌握刺激器和张力换能器的使用。 ４．加强对神经和肌肉了解，熟练解剖。、 二．实验原理 １．肌肉标本收缩现象的描记 利用刺激器可诱发蛙的离体神经肌肉标本发生兴奋收缩现象，可利用适当的参数和图形，客观、详细、准确地描述收缩的生理过程与现象。 骨骼肌受到一次短促的阈上刺激时，先是产生一次动作电位，紧接着出现一次机械收缩，称为单收缩。收缩的全过程可分为潜伏期、收缩期和舒张期。在一次单收缩中，肌峰电位的时程（相当于绝对不应期）仅1～2毫秒，而收缩过程可达几十甚至上百毫秒（蛙的腓肠肌可达100毫秒以上）。 2. 张力换能器 换能器是一种能将机械能、化学能、光能等非电量形式的能量转换为电能的器件或装置，并线性相关。利用物理性质和物理效应制成的物理换能器种类繁多，原理各异。张力换能器是一种能把非电量的 生理参数如力、位移等转换为电阻变化的间接型传感器，属于电阻应变式传感器。通常由弹性元件、电阻应变片和其他附件组成。弹性元件采用金属弹性悬梁，可根据机械力的大小选用不同厚度的弹性金属。弹性悬梁的厚度不同，张力换能器的量程亦不同。两组应变片r1、r4及r2、r3分别贴于梁的两面。两组应变片中间接一只调零电位器，并用5～6v直流电源供电，组成差动式的惠斯登桥式电路（非平衡式电桥）输出电压值与应变片所受力的大小成正比，即力的变化转换成电桥输出电压的变化。此电信号经过记录仪器的放大处理，就能描记出肌肉收缩变化的过程。 实验时，根据测量方向将换能器用“双凹夹”固定在合适的支架上。但由于双凹夹在支架上移位不方便，很难在小范围内做出精细的移位；移位不当，可能引起标本的损伤和换能器的损坏。故现多采用“一维微调固定器”，由上下位置调节钮控制，可在小范围内（上下）精细的移位。这不仅方便了实验操作，也有利于前负荷的控制。测量的方向，即力与位移的方向，要与张力换能器弹性悬梁的前端上下移动的方向保持一致。使能量转换和线性关系良好，符合张力换能器设计与使用上的要求。一般张力换能器的调零电位器设计为暗调节，为了方便使用，其暗调节孔朝上，故张力换能器有暗调节孔的一面为上。 3. 影响骨骼肌收缩效能的因素
液体表面张力系数的测量 【实验目的】 1、 掌握用砝码对硅压阻式力敏传感器定标的方法，并计算该传感 器的灵敏度 2、 了解拉脱法测液体表面张力系数测定仪的结构、测量原理和使 用方法，并用它测量纯水表面张力系数。 3、 观察拉脱法测量液体表面张力系数的物理过程和物理现象，并 用物理学概念和定律进行分析研究，加深对物理规律的认识 4、 掌握读数显微镜的结构、原理及使用方法，学会用毛细管测定 液体的表面张力系数。 5、 利用现有的仪器，综合应用物理知识，自行设计新的实验内容。 【实验原理】 一、拉脱法测量液体的表面张力系数 把金属片弯成如图 1（a ）所示的圆环状，并将该圆环吊挂在灵敏的测力计上，如图 1（b ）所示，然后把它浸到待测液体中。当缓缓提起测力计（或降低盛液体的器皿）时，金属圆环就会拉出一层与液体相连的液膜，由于表面张力的作用，测力计的读数逐渐达到一个最大值 F （当超过此值时，液膜即破裂），则 F 应是金属圆环重力 mg 与液膜拉引金属圆环的表面张力之和。由于液膜有两个表面，若每个表面的力为f L a = （L 为圆形液膜的周长），则有 2F mg L s =+ （2） 所以 2F mg L s -= （3）
圆形液膜的周长L 与金属圆环的平均周长,L 相当，若圆环的内、外直径分别为1,2D D 。则圆形液膜的周长 L ≈L ’=p （D 1+D 2）/2 （4） 将（4）式代入（3）式得() 12F mg D D s p -=- （5） 硅压阻式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，输出电压大小与所加外力成正比。即U K F D =D （6） 式中，ΔF 为外力的大小；K 为硅压阻式力敏传感器的灵敏度，单位为 V/N ；ΔU 为传感器输出电压的大小。 二、毛细管升高法测液体的表面张力系数 1一只两端开口的均匀细管（称为毛细管）插入液体，当液体与该管润湿且接触角小于90°时，液体会在管内上升一定高度。而当接触角大于 90°时，液体在管内就会下降。这种现象被称为毛细现象。 本实验研究玻璃毛细管插入水中的情形。如图 2 所示，f 为 表面张力，其方向沿着凹球面的切线方向，大小为 2 f r p s =，其中
刺激强度刺激频率对骨骼肌收缩的影响一实验报告实验报告 实验人员:孙芳班次:7年制2班组别:2 日期:2014/9/24 指导老师:沈建新 小组成员:XXX，YYY，ZZ 试验号和题目:一、刺激强度、刺激频率对骨骼肌收缩的影响 实验目的:1、了解并熟悉计算机生物机能实验系统的组成和基本使用方法 、制备具有生理活性的坐骨神经-腓肠肌标本 2 3、观察记录刺激强度、刺激频率对骨骼肌收缩的影响 实验对象:蛙 实验药品与器材:任氏液;生物信号采集系统，蛙类手术器械，蛙捣毁针，保护电极，张力换能器， 万能支架、连接导线等。 实验方法: 1、坐骨神经-腓肠肌标本的制备:1) 洗干净实验动物 2) 双毁髓::找到枕骨 大孔处 将刺蛙针刺入1-2mm，分别捣损脑组织和脊髓。3)剥制后肢，分离一侧后肢 4) 分离 坐骨神经，穿线备用 5) 游离腓肠肌，肌腱结扎备用 6) 标本检验。 2、连接实验装置: 将换能器的输出线接至BL-420F生理记录装置的1通道，保护电 极接至电脉冲输出通道。然后把制备好的坐骨神经-腓肠肌标本棉线的另一端 接在张
力换能器上，将坐骨神经通过保护电极接至电脉冲刺激输出通道，而腓肠肌肌腱端 的棉线与张力换能器簧片相连，保持适度松紧并与桌面垂直。 2、实验记录:开机后进入实验先用单刺激，找出阈强度、最适刺激强度;然后固 3、 定最适刺激强度，用连续单刺激，找出出现完全强直收缩时的最小刺激频率。实验结果: 1、刺激强度与肌肉的收缩关系实验 8.0g 4.0s A B
图1 刺激强度与骨骼肌收缩的关系(蛙坐骨神经-腓肠肌标本) A.肌肉收缩强度(右侧为标尺); B.刺激标记(单位为V) 图片中，在低于0.090V的电压刺激时，肌肉不发生收缩，说明在较低的电位刺激时，并不能引起肌肉发生收缩反应。而随着刺激强度的增大,用0.095V电压刺激的时候，蛙的腓肠肌收缩一次，表明神经接受刺激，兴奋沿神经传导至腓肠肌，引起腓肠肌肌膜电位发生变化，同时兴奋收缩，这说明蛙坐骨神经-腓肠肌标本的阈电位为0.090-0.095V之间接近0.095V。随着刺激强度的不断增加，有较多的神经纤维兴奋，肌肉的收缩反应也相应逐步增大。当用0.135V以上的电压刺激时，肌肉的收缩强度不再随着电压的变大而变大，表明蛙坐骨神经-腓肠肌标本的最适刺激强度为接近0.135V(0.130V-0.135V之间)。 2、刺激频率与肌肉收缩的关系实验
实验报告 实验题目：用焦利氏称测量液体表面张力系数 实验目的：学习焦利氏秤独特的设计原理，并用它测量液体的表面张力系数。 实验内容： 一、用作图法求弹簧的劲度系数 根据已测数据，横轴单位为g ，纵轴单位为cm ，描点，经过拟合后得一条 直线 cot (/)0.1cot (/)0.1*9.8 1.169N/m 0.83818 mg m k g g g cm g kg m x x k θθ= =?=?=?∴==Q 由图得: 二、逐差法求弹簧的劲度系数 m/g 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 x/cm 2.17 2.53 2.98 3.40 3.82 4.24 4.65 5.05 5.50 5.93 /m g ? 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 /x cm ? 2.07 2.12 2.07 2.10 2.11
由上表数据得： 550.6822222 ()() 3.500, 2.094cm,()=0.0103cm () 1.140.005251cm ()0.005773cm ()()()0.005251+0.0057730.005()0.00163 j j j j A x B A B m B m m m k x x x m g x x u x t u x C u x u x u x g u m C σ++-?==-??=?=??===?===?=?+=?===∑∑()()() ()()222222222 22 67g 2.5 1.1939g/cm=1.1700N/m 2.094()()()0.005251+0.0057730.0016672.094 2.50.00001433 0.0037860.004520g/cm=0.004430N/m k=(1.1700.004)N/m A B B m g k cm x U k u x u x u m k x m U k k U k ?===????+=+ ?????=+===∴± 三、自来水的表面张力系数 1）用金属圈测定 金属圈直径： 41 2.900 2.900 2.950 2.850 2.9000.0290044 i i d cm cm cm cm d cm m =+++====∑ 周长： 3.14159*0.029000.09111l d m π=== 膜破时金属圈上升的距离： 5 15 (2.44 1.50)(2.44 1.50)(2.52 1.50)(2.54 1.50)(2.52 1.50)5 0.00992i i x x x cm cm cm cm cm cm cm cm cm cm m =?=-+-+-+-+-==∑（-） 表面张力： '22 F mg k x F l d δδπ-?===?????→水膜质量可忽略
液体表面张力系数的测定 【实验目的】 1．学会用拉脱法测定液体的表面张力系数。 2．了解焦利氏秤的构造和使用方法。 3．通过实验加深对液体表面现象的认识。 【仪器与器材】 焦利氏秤1把，U 形金属丝1条，砝码1盒，镊子1把，玻璃皿1个，温度计1支，酒精灯1个，蒸馏水100ml ，游标尺1把。 【原理与说明】 一、 实验原理 由于液体分子与分子间的相互作用，使液体表面层形成一张紧的膜，其上作用着张力，叫做表面张力。如图3-1所示，设想在液体MN 上划出一条线s s ',s s '把MN 分成A 、B 两部分。由于A 、B 两部分之间的分子相互作用，在s s '两侧就形成表面张力f ,f 的方向与液体表面相切且垂直于s s '，f 的大小与s s '的长度l 成正比，用公式表示为 )13(-=l f α 式中，α为表面张力系数，即作用在s s '的每单位长度上的力。 表面张力系数是研究液体表面性质所要用到的物理量，不同种类的液体，α值不同；同一种液体的α值随温度上升而减小；液体不纯净，α值也会改变。因此，在测定α值时必须注明在什么温度下进行，液体必须保持纯净。 测量表面张力系数α的方法很多，本实验用拉脱法测定。 将U 形金属丝浸入液体中，然后慢慢拉起，这时在金属丝内带起了一层薄膜，如图3-2所示。要想使金属丝由液面拉脱，必须用一定的力 F ，这个力的大小应等于金属丝所受液面的表面张力 f F 2= (注意有两个表面) l F α2= 图 3-1 图3-2
l F 2= α （3-2） 本实验用焦利氏秤测出F ，然后代入式（3-2）计算出α值。 二、 仪器构造 焦利氏秤实际上就是一个比较精确的弹簧秤，用焦利氏秤测力是根据虎克定律 x k F ?= （3-3） 式中，k 为弹簧的倔强系数，等于弹簧伸长单位长度的拉力, x ?为弹簧伸长量，如果已知k 值，再测定弹簧在外力作用下的伸长量x ?，就可以算出作用力F 的大小。 焦利氏秤的构造如图3-3所示，A 为垂直圆筒形支架，圆筒里有一可借助于旋钮D 升降的B 杆，升降高度可以由B 上的刻度和A 上的游标C 读出。弹簧E 悬在B 上的横梁N 上，E 的下端有一指 标镜M ，M 在固定于支架A 上的垂直玻璃管G 内。M 和G 上都刻有标线，H 为平台调节旋钮。 【实验步骤】 一、 k 值的测定 1．按图3-3挂好弹簧、指标镜和砝码盘，再调节三角底座上的螺丝，使指标镜处于玻璃管中，能上下自由振动且不与玻璃管相碰； 2．调节旋钮D ，使指标镜M 上的标线处于“三线重合”位置（先使G 标线在镜中的像与G 标线本身重合，再调节M 标线使之与前者重合），读出标尺上的读数 0x 。如弹簧振动不停，可将镊子靠在玻璃管上端，轻轻阻挡弹簧，即可停止振动； 3．在砝码盘上加0.5g 的砝码，旋转D ，当M 的标线重新处于“三线重合” 位置时，读出读数X; 4．重复步骤2、3共3次，将所得数据记入表3-1中。 二、 F 的测定 1. 先用洗涤液，再用蒸馏水洗净玻璃皿，把装有蒸馏水的玻璃皿放在平台上。用镊子夹 住金属丝在洒精灯上烧干，再挂在指标镜M 的挂钩上； 2. 调节旋钮D ，使M 的标线处于“三线重合”位置，读出标尺上的读数0x ； 3. 调节旋钮H ，让金属丝的水平部分和液面接触（水平部分如果和液面不平行，可用镊 子调整金属丝几次）； 4．观察M 的标线是否在“三线重合”位置，如果不在，继续调节旋钮H ，直至标线处于“三线重合”位置； 图3-3