天津理工大学大学物理实验
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氢氧化铁溶胶中电解质渗析动力学性质探究摘要使用简易的膜池法对氢氧化铁溶胶中的电解质在渗析纯化过程中的动力学性质进行了初步探究,验证了渗析过程的电解质动力学模型,并据此对渗析过程的影响因素进行了分析,针对本实验提出了可改进的方案。
关键字氢氧化铁溶胶电解质渗析动力学正文1引言氢氧化铁胶体制备之后,需要对其进行渗析纯化,以符合电泳时对其电导率的标准1。
由于胶体粒子不能透过半透膜,而其中的电解质离子通过渗析逐渐透出半透膜,从而达到降低电解质浓度的效果。
采用沸水法制备氢氧化铁胶体时,相应电解质的主要成分为HCl和FeCl3。
了解渗析过程中电解质离子的扩散动力学性质,对于控制渗析速率、研究渗析过程具有一定意义。
通过测定一些表观动力学参数,我们还可以进一步讨论其扩散系数等问题。
1928年提出的膜池法是经典的测量溶液中电解质扩散系数的方法2,其原理是在Fick 第一定律成立的条件下,将不同浓度的溶液分置于隔膜隔开的两池中,通过测量一定时间之内的两侧浓度变化,计算得到扩散系数。
本实验的测量原理与之相同,根据实际条件,采取了一些简化措施。
实验结果与理论预测基本相符。
我们认为,通过改进该实验的条件,并进行适当的拓展,可以作为很好的扩散动力学教学实验,并具有一些潜在的实际应用价值。
2实验部分2.1实验过程2.1.1氢氧化铁溶胶的制备取200 mL 去离子水至1000 mL容量的烧杯中,盖上表面皿置于电炉上加热,待到水沸腾以后,保持沸腾状态下滴加20 mL 10 %的氯化铁溶液,控制滴加速度在4-5分钟内滴完,滴加完毕后停止搅拌,继续加热沸腾1-2分钟。
制好的溶胶冷却后静置烧杯中密封保存。
2.1.2半透膜的制备取20 mL棉胶液倒入洁净干燥的250 mL锥形瓶内。
小心转动锥形瓶使瓶内壁均匀铺展上一层膜,倾倒出多余的棉胶液,将锥形瓶倒置于铁圈上,待溶剂挥发完,用去离子水注入胶膜与瓶壁之间使胶膜与瓶壁分离,将其从锥形瓶中取出,注入去离子水检查是否有漏洞,如无,则浸入去离子水中待用。
天津市教委关于公布第一批天津市普通高等学校实验教学示范中心(含建设单位)名单的通知文章属性•【制定机关】天津市教育委员会•【公布日期】2012.12.25•【字号】津教委办[2012]97号•【施行日期】2012.12.25•【效力等级】地方规范性文件•【时效性】现行有效•【主题分类】教育综合规定正文天津市教委关于公布第一批天津市普通高等学校实验教学示范中心(含建设单位)名单的通知(津教委办〔2012〕97号)各普通高等学校:为全面落实“高等学校本科教学质量与教学改革工程”建设要求,加快我市高等学校实验室建设,深化实验教学改革,促进优质教育资源共建共享,进一步提升我市高等学校实验教学质量,市教委启动了天津市普通高等学校实验教学示范中心建设和评审工作。
根据《关于启动天津市普通高等学校实验教学示范中心建设和评审工作的通知》(津教委办〔2012〕54号),市教委确认南开大学化学实验教学中心等24个国家级实验教学示范中心为“天津市普通高等学校实验教学示范中心”。
经学校申请,专家组网络评审、会议评审和现场考察,市教委授予18所高校的72个实验教学中心“天津市普通高等学校实验教学示范中心建设单位”称号。
“天津市普通高等学校实验教学示范中心建设单位”建设周期为3年。
建设期满后,市教委将组织专家进行复审,复审合格的正式授予“天津市普通高等学校实验教学示范中心”称号;对不合格者将取消其“天津市普通高等学校实验教学示范中心建设单位”称号。
市属高校“天津市普通高等学校实验教学示范中心(含建设单位)”的建设经费由天津市高校“十二五”综合投资规划学科专业建设专项经费中列支,每个中心建设经费不低于50万元。
中心建设任务完成质量及经费落实情况等,均纳入天津市高校“十二五”综投绩效考核。
附件:1.“天津市普通高等学校实验教学示范中心”名单2.“天津市普通高等学校实验教学示范中心建设单位”名单2012年12月25日附件1附件2。
电动汽车动力电池组电磁干扰研究李天辉;杜明星;张刚;魏克新【摘要】为研究和抑制电流瞬变情况下锂电池自身产生的电磁干扰,在分析动力电池物理结构及其等效电路模型的基础上,建立了动力锂电池组对底盘的分布电容模型,搭建电动汽车动力电池组电磁干扰测试平台,提取并分析动力电池组在电流瞬变情况下自身产生的电磁干扰状况以及对其他回路的干扰情况.结果表明,瞬变电流使锂离子电池组产生的电磁干扰超过国家规定的车辆部件电磁标准要求,干扰抑制电路对电池组侧的干扰起到了明显的抑制效果.%In order to study and restrain the electromagnetic interference caused by the lithium battery in the case of transient current,a distributed capacitance model between power lithium battery pack and chassis was built based on analyzing the structures and equivalent circuit model of lithium batteries.Research platform for interference of electric vehicle batteries was built to extract and analyze the electromagnetic interference generated by the power battery itself as well as the impacts on other electrical circuits in the condition of different current and different change frequency.The results prove that the electromagnetic interference exceeds the national standard requirements for vehicle parts.The inhibition of the circuit on the battery side of the interference plays an obvious inhibitory effect.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2018(042)003【总页数】4页(P361-364)【关键词】传导干扰;抑制措施;电池等效模型;锂电池;电动汽车【作者】李天辉;杜明星;张刚;魏克新【作者单位】天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室,天津300384;天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室,天津300384;国网蓬莱市供电公司,山东蓬莱265600;天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室,天津300384【正文语种】中文【中图分类】TM937目前,在电动汽车电磁干扰和电磁兼容性研究方面已有很多文献,研究主要集中在系统的干扰源分析及干扰抑制技术的研究上[1-3]。
天津理工大学硕士学位论文高性能声表面滤波器LiNbO<,3>/金刚石的制备及分析姓名:***申请学位级别:硕士专业:光学工程指导教师:***20061201备进行了大量的研究。
贝尔实验室对LiNbO,的晶体结构、电光性质、压电效应及声学性质等进行了广泛的研究,并发表了一系列有关LiNbO。
性质与结构的文章。
八十年代后期以来,材料的制备方法得到了很大的发震,MOC、/D,MBE,PLD,Sol—gel等方法制备薄膜材料趋于成熟,人们开始探索用这些方法制备LN薄膜,并取得了很多成果。
其中RF磁控溅射法具有制备工艺简单、成本低等优点,是一种常用的薄膜制备方法。
80年代末以后,随着光电子技术和薄膜制备工艺的飞速发展,使得利用LiNb03薄膜制备新一代光学器件成为可能。
近年来,基于金刚石多层膜体系SAW器件中采用的压电材料主要有ZnO、A1N、LiNb03薄膜等材料。
如何利用高精度物理沉积设备、优化工艺或利用化学方法制备高质量LiNbO。
薄膜成为SAW用铌酸锂薄膜研究的重点。
LiNb03/金刚石/Si多层膜体系制备高频SAWF是本课题组的课题之一(国家自然基金项目,高频LiNb嘎/金刚石膜SAW滤波器的研究)。
本文就是在金刚石衬底上利用RF磁控溅射法对铌酸锂薄膜的沉积进行研究。
3.3铌酸锂压电薄膜的射频磁控溅射制备对于制作SAW器件和实现其用途,制备高质量的LN薄膜材料是根本所在。
自八十年代以来,薄膜制备方法和技术取得了突飞猛进的发展,压电薄膜的发展和应用正得益于此。
然而,和近乎完美的半导体集成电路工艺相比,压电薄膜的制备技术仍有待进一步完善。
我们采用沉积LN方法的是射频磁控溅射法,它是一种常见的物理沉积方法。
磁控溅射溅射法具有成膜均匀、致密,且制备工艺简单、成本低等优点,是一种常用的薄膜制备技术。
本文采用射频磁控溅射法制备铌酸锂薄膜,在此对该方法作一些介绍。
3.3.1射频磁控溅射装置溅射技术的最新成就就是射频磁控溅射。
第32卷第1期大学物理实验Vol.32No.12019年2月PHYSICALEXPERIMENTOFCOLLEGEFeb.2019收稿日期:2018 ̄10 ̄25基金项目:天津理工大学教学基金(YB17 ̄40)∗通讯联系人文章编号:1007 ̄2934(2019)01 ̄0046 ̄04密立根油滴实验中油滴选取的研究张颖涛∗ꎬ刘丽丽ꎬ李㊀辉(天津理工大学ꎬ天津㊀300384)摘要:理论分析模拟了油滴下落时间与油滴半径的关系㊁油滴带电量子数与下落时间和平衡电压的变化关系ꎬ理论证实了平衡电压在150~400Vꎬ下落时间在10~30s附近的油滴为最佳油滴ꎬ探索提炼出油滴选取的方法和技巧ꎬ为学生理解和完成密立根油滴实验提供帮助ꎮ关键词:油滴带电量子数ꎻ平衡电压ꎻ下落时间中图分类号:O4 ̄33文献标志码:ADOI:10.14139/j.cnki.cn22 ̄1228.2019.01.011㊀㊀密立根油滴实验是近代物理发展史上的重要实验ꎬ该实验用研究宏观物质状态的方法研究微观物质的运动ꎬ实验设计思想简单而巧妙ꎬ被称为物理学史上最美丽的实验之一ꎮ实验的结果证明了电荷的不连续性即量子性并测量了元电荷的电量ꎮ课堂上ꎬ学生们对实验的设计思想㊁原理容易理解ꎬ但在实验操作过程中ꎬ选取合适的油滴是学生实验的难点ꎬ经常遇到实验时间过去一半却还没找到一个合适油滴的学生ꎬ致使学生无法在规定时间内完成整个实验ꎬ挫伤了学生实验学习的积极性ꎮ实验教学中我们发现学生无法选取合适油滴的主要原因在于对油滴选取的理论基础和方法缺少深入的理解ꎮ前期发表的论文中主要集中在讨论密立根油滴实验的测量方法和数据处理方法的改进[1 ̄3]ꎬ而关于油滴选取的研究较少文献涉及ꎬ且缺乏系统的分析研究[4]ꎮ为此ꎬ本文以平衡法为例分析油滴在极板间的运动状态ꎬ在此基础上给出油滴选取的理论依据和方法技巧ꎮ1㊀理论分析以平衡法为例进行讨论ꎬ实验中进入油雾室的油滴先在电场力㊁重力和浮力作用下静止ꎬ则m1g ̄m2g=qE(1)其中m1为油滴质量ꎬm2为与油滴同体积的空气质量ꎬq为油滴所带的总电量ꎮ取消电场作用后ꎬ油滴将会下落ꎬ由于粘滞阻力的存在ꎬ油滴的下落并非自由落体运动ꎬ而是先经历变加速过程ꎬ根据运动方程可计算出ꎬ此加速过程很短ꎬ约为10-4S[5ꎬ6]ꎬ随着速度的增加ꎬ粘滞阻力和浮力会增加ꎮ当粘滞阻力㊁浮力和重力达到平衡以后油滴将会以速度vf匀速下落ꎮ设油滴可近似为球形ꎬ半径为rꎬ密度为ρ1ꎬ空气密度为ρ2ꎮ由斯托克斯定律ꎬ球形运动物体在粘滞流体中受到的阻力与物体速度大小成正比ꎬ其比例系数K为6πηrꎬ此处η为黏度ꎬr为物体半径ꎮ则油滴的视重为m1g-m2g=43πr3(ρ1-ρ2)g=6πηrvf(2)可得㊀vf=2gr29η(ρ1-ρ2)(3)因此r=9ηvf2g(ρ1-ρ2)éëêêùûúú12(4)将公式(4)代入公式(1)㊁(2)可得ꎬq=92πη3(ρ1-ρ2)géëêêùûúú121Ev32f实验用油滴的线度已经到了微米量级ꎬ空气不能看成连续介质ꎬ粘度系数η需作相应的修正ηᶄ=η/(1+bpr)ꎬ此处p为空气压强ꎬb为修正常数ꎬb=0.00823N/mꎬ上式化为q=92πη3(ρ1 ̄ρ2)géëêêùûúú121Ev32f11+bpréëêêêùûúúú32(5)实验中ꎬ通过测定油滴在固定距离s内的运动时间可求得运动速度ꎬ且电场强度E=Udꎬd为平行板间的距离ꎬU为所加的电压ꎬ因此q=92πd(ηs)3ρgéëêêùûúú121U1tfæèçöø÷3211+bpréëêêêùûúúú32(6)由公式(6)可知ꎬ油滴的带电量随下落时间及平衡电压的增加而减小ꎬ下面分别讨论下落时间和平衡电压两个因素对油滴带电量的影响ꎮ下落时间的影响:根据公式(3)ꎬ下落时间的多少由匀速下落的速度决定ꎬ实验中看起来大而明亮的油滴线度大ꎬ对应的半径r较大ꎬ因此匀速下落的速度也大ꎬ人眼的分辨极限为0.1sꎬ这样势必会在计时时引入较大的相对误差ꎻ而下落比较慢的油滴计时虽然容易ꎬ但线度又太小ꎬ油滴的不规则涨落相对较明显[7 ̄9]ꎬ也会引入较大的误差ꎬ因此实验中我们选取宏观上看起来油滴大小居中的油滴ꎮ平衡电压的影响:根据公式(1)ꎬ同样视重的油滴ꎬ平衡电压的不同ꎬ标志着带电量的不同ꎬ平衡电压越小ꎬ带电量越大ꎻ为了验证电荷的不连续性ꎬ应使油滴的带电量q尽可能小ꎬ相应油滴所带的电荷数即油滴带电量子数通常控制在5以内ꎬ因此应该尽可能捕获平衡电压比较大的油滴ꎮ根据以上讨论ꎬ选取下落时间和平衡电压合适的油滴非常重要ꎬ实验中油从喷雾器被喷出ꎬ油滴的大小和带电量的多少是随机的ꎬ但是因为下落时间的多少主要和油滴的线度有关ꎬ而油滴的线度即大小又是最直观的ꎬ因此实验中应以油滴的大小为首位考虑ꎬ选中合适大小的油滴以后再调平衡ꎬ判断平衡电压的大小是否合适ꎮ2㊀理论模拟为了更直观理解以上结果ꎬ下面通过理论模拟分析油滴下落时间与油滴半径的关系㊁油滴带电量子数与下落时间和平衡电压的变化关系给出合适油滴满足的定量条件ꎮ以成都世纪中科生产的CCD显微型密立根油滴仪为例ꎬ各参数选取如下:中华牌701钟表油ꎬ极板间距d=0.005mꎬ匀速下落距离s=1.6mmꎬ粘滞系数η=1.83ˑ10-5kg/m sꎬ油的密度ρ1=981kg/m3ꎬ空气密度ρ2=1.2928kg/m3ꎬ重力加速度g=9.8m/s2ꎬ修正系数b=0.00823N/mꎬ大气压强P=101325Paꎬ极板间平衡电压的最大值为410Vꎮ由公式(3)可得ꎬ油滴的下落时间为tf=svf=9η2gr2(ρ1-ρ2)(1+1pr)(7)将各参数值带入公式(7)ꎬ用Matlab模拟了下落时间tf与油滴半径r的关系ꎬ如图1所示ꎬ可以看出ꎬ当油滴半径r为10-4m时ꎬ下落时间大约为14sꎻ半径再大的油滴下落时间过小ꎬ实验中计时误差较大ꎻ半径太小的油滴测量时涨落太明显ꎮ因此实验中应考虑半径为10-4m左右的油滴ꎬ对应的下落时间在实验中控制在10~30sꎮ图1 油滴下落时间与油滴半径的关系将各参数代入公式(6)ꎬ图2给出了油滴所带元电荷的个数即油滴带电量子数与下落时间和平衡电压的变化关系ꎮ图中横坐标为下落时间ꎬ四条曲线从上到下分别对应平衡电压分别为100V㊁150V㊁300V㊁400Vꎮ由图2可以看出ꎬ油滴带电量子数受下落时间的影响更加明显ꎬ随着下落时间的增加ꎬ油滴的带电量越来越少ꎬ当tf超过10s时ꎬ油滴的量子数基本都在10以内ꎬ但是随着下落时间的继续增加ꎬ曲线的密度增加ꎬ平衡电压差别很大的油滴带电量子数越来越接近ꎬ因此实际实验中应选取下落距离为1.6mm时ꎬ下落时间在10~30s之间的油滴ꎬ这与图1的分析结果相74密立根油滴实验中油滴选取的研究一致ꎮ图2㊀油滴带电量子数与下落时间和平衡电压的关系由图2还可以看出油滴带电量子数随平衡电压的增加而减小ꎮ平衡电压为150V以上的油滴ꎬ当下落时间超过10s时ꎬ其量子数都没有超过10ꎬ为实验测量中较为可取的油滴ꎻ平衡电压在100~150V之间的油滴属于边界油滴ꎬ在判断量子数的归属时ꎬ如果发生困难可舍弃ꎮ3㊀课堂实践验证根据理论分析的结果ꎬ捕获油滴的下落时间在10~30sꎬ平衡电压在150~400V之间为最佳ꎬ通过课堂实践表明该分析结果是可行的ꎮ课堂实验验证分析如下:喷雾器喷出的油滴带电量的多少和线度大小具有随机性ꎮ带电量大小和正负根据油滴的运动情况可以定性判断ꎬ把极板间电压加到最大值ꎬ电场存在时ꎬ向下运动的油滴一般不带电或带正电ꎬ这样的油滴不是实验中要研究的ꎮ实验中要研究的是向上运动的油滴ꎬ带电量多的油滴通常向上运动的速度很大ꎬ很快从视场中消失ꎬ反之向上运动缓慢的油滴其带电量较少ꎬ调整极板间电压ꎬ捕获这样的油滴ꎬ当油滴稳定以后ꎬ对平衡电压在150~400V之间的油滴做下落时间的预测量ꎬ如果下落时间在10~30sꎬ则这样的油滴为合适油滴ꎮ实验的难点是难以捕获合适的油滴ꎬ同学们往往在经过预习和课堂讨论之后ꎬ对油滴选取的理论理解深刻ꎬ实验结束后却垂头丧气ꎬ实验得到的合适的油滴少之又少ꎮ真实的情况是这样的:以成都世纪中科生产的CCD显微型密立根油滴仪为例ꎬ油滴从喷雾器喷出以后ꎬ在监视器上如满天繁星般存在ꎬ但存在的时间非常短ꎬ约不到2s的时间就大部分消失了ꎬ只剩下几个不合要求的油滴在 飘荡 ꎮ同学们经常抱怨还没反应过来ꎬ油滴就不见了ꎮ为此ꎬ经过反复实验总结了以下经验:把极板间电压加到最大ꎬ喷油后大约1s的时间取消极板间电压ꎬ即在实验中交替按下 0V 和 工作 按钮ꎬ经过多次操作在 0V 时能下落ꎬ 工作 时能上升的油滴作为考虑对象ꎬ其它油滴则大部分被驱走ꎬ再仔细调整平衡电压控制下落时间在10~30sꎬ平衡电压在150~400V之间的油滴ꎮ在此方法指导下ꎬ学生获取的实验数据量和效率得到了大幅提升ꎬ原来规定时间内测5个油滴都困难ꎬ现在规定时间内大部分学生能测9个油滴ꎬ下面表1给出某同学测得的一组数据ꎬ表中虽然个别油滴的平衡电压低于150Vꎬ但结果分析表明油滴的带电量子数较好ꎮ表1㊀密立根油滴实验数据平衡电压/V127148122298272354409407178下落时间/s35.2625.3536.5016.1516.918.4717.3027.0118.47带电量(10-19C)3.2024.6293.1554.6994.7643.1803.0491.5246.326量子数n232332214元电荷的值(10-19C)1.6011.5431.5781.5661.5881.591.5251.5241.5824㊀结㊀论通过对油滴运动过程的分析ꎬ定性描述了油滴选取的原则ꎻ又用Matlab分别拟合了下落时间和油滴半径的关系图㊁带电量子数与下落时间和平衡电压的变化关系图ꎬ理论证实了平衡电压在150~400Vꎬ下落时间在10~30s附近的油滴为最佳油滴ꎮ为提高油滴选取的实际可操作性ꎬ给出了具体操作的经验之谈ꎮ课堂实践表明ꎬ理论分析模拟和经验之谈对学生理论理解油滴的运动过程及选取原则提供了很好的帮助ꎬ学生将理论应84密立根油滴实验中油滴选取的研究用于实践ꎬ在规定时间内测到了满足要求的足够数量的油滴ꎬ从而有助于理解和完成密立根油滴实验ꎮ参考文献:[1]㊀段苹ꎬ等.计算机编程在密立根油滴实验中的应用[J].大学物理实验ꎬ2014ꎬ27(2):70 ̄73.[2]㊀陈森.一种密立根油滴实验数据处理的新方法[J].大学物理ꎬ2014ꎬ33(9):57 ̄58.[3]㊀EarlF.Pearson.RevisitingMillikan sOil ̄DropExperi ̄ment[J].JournalofChemicalEducationꎬ2005ꎬ82(6):851 ̄854.[4]㊀徐兵.密立根油滴实验中油滴选取原则的探讨[J].计量与测试技术ꎬ2016ꎬ43(1):23 ̄24.[5]㊀钟鼎.大学物理实验[M].天津:天津大学出版社ꎬ2011.[6]㊀苏茂.密立根实验中运动速度的分析[J].大学物理实验ꎬ2014ꎬ27(2):19 ̄21.[7]㊀卢德馨.油滴实验和偏倚期盼现象[J].大学物理ꎬ2011ꎬ30(1):13 ̄17.[8]㊀李登峰ꎬ薛书文.密立根油滴实验教学中的几个问题[J].中国现代教育装备ꎬ2011(15):1672 ̄1438.[9]㊀欧海峰ꎬ王会永.布朗运动对油滴实验的影响[J].实验技术与管理ꎬ2007ꎬ24(7):38 ̄40.StudyonSelectingOil ̄dropsinMillikan sOil ̄dropsExperimentZHANGYingtao∗ꎬLIULiliꎬLIHui(TianjinUniversityofTechnologyꎬTianjin300384)Abstract:Therelationshipbetweenfallingtimeofoil ̄dropandradiusofoildropispresented.Furthermoreꎬnumberofelementaryelectricalchargeinoil ̄dropasafunctionofthefallingtimeunderdifferentbalancingvoltagesistheoreticallyplotted.Theanalyticalresultsshowthattheoil ̄dropsaresuitableundertheconditionthatthebalancingvoltageisintherangeof150~400Vandthefallingtimeisfrom10sto30s.Themethodofselectingoil ̄dropthatwepresentinthispapercouldhelpstudentstounderstandandfinishtheMilikan soil ̄dropexperiment.Keywords:numberofelementaryelectricalchargeinoil ̄dropꎻfallingtimeꎻbalancingvoltage94密立根油滴实验中油滴选取的研究。