用力敏传感器测定液体表面张力系数

液体表面张力测量实验内容及操作步骤1.力敏传感器的定标（1）打开仪器电源开关，将仪器预热15分钟以上。

（2）挂上砝码盘，数字电压调零。

（3）定标力敏传感器表1 力敏传感器定标（4）用最小二乘法作直线拟合,记录拟合直线的截距a 、斜率b 、相关系数r,求出传感器灵敏度K 。

2. 测量室温下水的表面张力系数 （1）清洗金属吊环及玻璃器皿 （2）测量液体温度，并记录。

（3）调节吊环与液面平行。

（4）测量液膜即将拉断前一瞬间的电压值1U 和拉断后一瞬间的电压值2U ，计算待测液体的表面张力f 及表面张力系数α，重复测量6次，计算α平均值。

表2水的表面张力系数测量 (室温)仪器使用注意事项1．金属吊环和盛待测液体的器皿须严格处理干净。

可用NaOH 溶液洗净油污或杂质后，用清洁水冲洗干净，并用热吹风烘干。

2．吊环水平须调节好，吊环倾斜会带来较大的误差。

3．仪器开机需预热15分钟。

4．在旋转升降台时，尽量使液体的波动要小。

5．工作室不宜风力较大，以免吊环摆动致使零点波动，影响测量。

7．力敏传感器使用时用力不宜大于0.098N 。

过大的拉力传感器容易损坏。

8．实验结束须将吊环和玻璃器皿用清洁纸擦干，用清洁纸包好，放入干燥缸内。

思考题：1.实验中要求测量液膜即将拉断前一瞬间的电压值1U 和拉断后一瞬间的电压值2U 以得到表面张力，为什么？2.实验过程中金属吊环不是水平拉出水面，而是出现倾斜现象，对实验结果有无影响？应如何避免？3.如果金属吊环沾有油污，对测量结果会产生什么样的影响？4.分析本实验的系统误差和随机误差，提出减少误差的改进方法。

液体表面张力实验报告
【实验内容、数据表格】
1．硅压阻力敏传感器定标
力敏传感器上分别加各种质量砝码，测出相应的电压输出值，实验结果见表1。

经作图法拟合得传感器的灵敏度 mV/N。

天津地区重力加速度g=9.801m/S2。

2．纯净水表面张力系数的测量
用游标卡尺测量金属圆环：外径D1= cm,内径D2= cm，调节上升架，记录环在即将拉断水柱时数字电压表读数U1，拉断时数字电压表的读数U2，结果见表2，测量6次。

在此温度下水的表面张力系数为 N/m。

经查表，在T= ℃时水的表面张力系数为 N/m，百分误差为 %。

【数据处理】
1．硅压阻力敏传感器定标
根据数据表格1，在坐标纸上做关于砝码质量与输出电压之间的关系，并拟合出传感器的灵敏度曲线，求出灵敏度。

此处粘贴坐标纸
计算公式：。

液体表面力系数的测量【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力系数。

3、 观察拉脱法测量液体表面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，自行设计新的实验容。

【实验原理】一、拉脱法测量液体的表面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力之和。

由于液膜有两个表面，若每个表面的力为fL （L 为圆形液膜的周长），则有 2F mg L （2）所以2FmgL（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、外直径分别为1,2D D 。

则圆形液膜的周长L ≈L ’=（D 1+D 2）/2 （4）将（4）式代入（3）式得12F mgD D （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 （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，液体会在管上升一定高度。

实验六 液体表面张力系数的测定【目的】1．用片码对硅压阻力敏传感器进行定标，计算该传感器的灵敏度，学习传感器的定标方法。

2．学会用拉脱法测量纯水和其它液体的表面张力系数。

【器材】FD-NST-B 型液体表面张力系数测定仪，铝合金吊环，玻璃器皿，镊子，片码。

【仪器简介】FD-NST-B 型液体表面张力系数测量实验仪主要由实验装置和实验主机以及吊环、片码等配件组成，如图1所示。

图1 液体表面张力系数测定仪装置【原理】液体表面存在着使液面收缩到最小趋势的表面张力，若在液体表面划一长为L 的线段，则线段两边的液面均有一个与液面相切且垂直于线段的表面张力f ，其大小与线段长度L 成正比，即L f α= （1）式中α称为液体的表面张力系数，单位为N ⋅M -1，在数值上等于单位长度上的表面张力。

实验证明，表面张力系数的大小与液体的温度、纯度、种类和它上方的气体成分有关。

温度越高，液体中所含杂质越多，则表面张力系数越小。

将内径为D 1，外径为D 2的金属吊环悬挂在传感器上，将该环浸没于液体中，并渐渐拉起吊环，吊环就会拉起一个与液体相连的水柱。

由于表面张力等力的作用，传感器上的拉力逐渐达到最大值然后开始下降，假设拉脱前瞬间拉力为F 。

则F 应当是金属环重力G 与水柱拉引金属环的表面张力f 之和，即f G F += （2）由于水柱有两个液面，且两液面的直径与金属环的内外径相同，则有)(21D D f +=απ （3）图2 液膜拉破前瞬间的受力分析图所以液体的表面张力系数为：)](/[21D D f +=πα （4）表面张力的数值一般很小，测量微小力必须用特殊的仪器。

本实验用FD-NST-B 型液体表面张力系数测定仪进行测量。

FD-NST-B 型液体表面张力系数测定仪用到的测力计是硅压阻力敏传感器，该传感器灵敏度高，线性和稳定性好，以数字式电压表输出显示。

若力敏传感器拉力为F 时，数字式电压表的示数为U ，则有BUF =（5） 式中B 表示力敏传感器的灵敏度，单位V/N 。

湖北文理学院物理实验教学示范中心实 验 报 告学院 专业 班 学号： 姓名： 实验名称： 液体表面张力系数测定 实验日期： 实验室： N1- 104 [实验目的]:1. 掌握力敏传感器的定标方法，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. 测量水的表面张力系数[仪器用具]:仪器、用具名称及主要规格（包括量程、分度值、精度等）液体表面张力系数测定仪（受力量程：0—0.098N,0.1Mv ）、游标卡尺（0-150mm ，50分度）、温度计(0-100℃,0.5℃)、砝码盘、砝码、金属环、水。

[实验原理]:根据自己的理解用简练的语言来概括(包括简单原理图、相关公式等)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，其方向沿液体表面，且恒与分界线垂直，大小与分界线的长度成正比，即l f ⋅=α比例系数 称为表面张力系数，单位为 ，在数值上等于单位长度上的表面张力。

将金属环固定在传感器上，将该环浸入液体中，并缓慢拉起金属环，当金属环从液体拉脱瞬间，传感器受到的拉力差值与液体的表面张力相等，为： ()BU U D D f 2121-=+=απ 式中:D1,D2圆环外径和内径。

U1,U2分别为拉断液柱前一瞬间数字电压表的读数值和拉断液柱前后一瞬间数字电压表的读数值，B 为力敏传感器的灵敏度。

液体表面张力系数为：()2121D D B U U l f +⋅-==πα [实验内容]: 简述实验步骤和操作方法1. 连接仪器、开机预热15分钟，清洗玻璃器皿和吊环；2. 对力敏传感器定标将砝码盘挂在力敏传感器的钩子上，待仪器示数稳定后对仪器进行调零，然后将质量为0.5g 的砝码逐个放入砝码盘，至盘中砝码质量增加到3.5g ，记录不同质量砝码对应的电压输出值。

用最小二乘法拟合得到仪器的灵敏度B ，并计算出线性相关系数γ。

实验报告班级微电子101姓名方统兵学号10105107日期2011.10.24室温24.9℃气压102.09 Kpa成绩教师实验名称用力敏传感器测液体表面的张力系数【实验目的】1.掌握用标准的砝码对测量仪进行定标的方法，计算该里，力敏传感器的转换系数2.观察拉脱法测量液体表面张力的物理过程和物理现象3.学会用拉脱法测定水的表面张力系数【实验仪器】FB326型液体表面张力系数测定仪、附件盒、烧杯、游标卡尺【实验原理】液体表层厚度约10 −10 m 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。

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ϕ称为湿润角（或接触角）当继续提起圆筒形吊环。

时，ϕ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 = ( m + m0 ) g + 2（1）式中，m 为粘附在吊环上的液体的质量，m0 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2 f = π (D内+ D外) ⋅α（2）比例系数α称为表面张力系数，单位是N / m 。