拉脱法测量纯水表面张力系数实验的研究

《拉脱法测量纯水表面张力系数实验的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、万方数据第27卷第2期2008年2月大学物理COLLEGEPHYSICSV01．27No．2Feb．2008拉脱法测量纯水表面张力系数实验的研究伊鑫，朴渊，柳青，所广斌，罗莹(北京师范大学物理系，北京100875)摘要：从实验和理论上对拉脱法测量表面张力系数的实验进行了研究．用微力传感器代替约利弹簧，并在此基础上改进了实验仪器．研究分析了使用约利弹簧和传感器测量表面张力系数实验的实验原理，指出了它们的区别，并给出了利用传感器测量表面张力系数实验的理论计算公式．改进后的实验降低了拉脱法测量表面张力系数实验的技术

2、难度，提高了测量表面张力系数的精确度．关键词：表面张力；表面张力系数；传感器中图分类号：O4-33文献标识码：A文章编号：1000．0712(2008)02．0060．04液体表面张力在物理学中不仅是一个古老而传统的研究课题，更是一个极为活跃，不断创新的研究热点．科技进步使得液体表面张力在现代科学技术的许多领域和人们的生产、生活中有着广泛的应用．作为物理专业的大学生，理解表面张力的性质，了解测量表面张力的方法和途径是非常必要的．但是由于传统拉脱法测量表面张力使用的约利弹簧极易损坏，且相关的生产厂家很少，使得开

3、设测量表面张力系数的物理实验存在一定的难度，因此现阶段在高校的物理实验课程中这个实验开设较少，这不能不说是一种缺憾．传感器作为现代的测量手段之一，由于具有探测精度高，操控方便，价格低廉等特点，已经在生产与科研领域得到了广泛的应用．将传感器这一现代测量技术运用到表面张力的测量这一古老的课题之中，不仅能解决开设测量表面张力系数实验的困难，同时又能使大学生学习现代测量技术．为此我们首先设计出一套专门用于测量液体表面张力的传感器的供电及检测电路，然后用传感器代替拉脱法测量表面张力系数实验中使用的约利弹簧，解决了使用约

4、利弹簧测量时稳定性差、容易损坏的问题．在此基础上，改进了实验仪器．通过对改进的拉脱法测量表面张力系数实验的深入分析研究，发现了利用传感器和约利弹簧测量表面张力系数实验原理的不同之处，修正了实验的理论计算公式．传感器的使用使拉脱法测量表面张力系数实验的技术难度大大降低，并且提高了实验测量结果的精度．1传感器代替约利弹簧测量液体表面张力的实验研究1．1实验装置实验中所使用的装置如图1所示．其中A为HPCI56型力传感器；B为Ⅱ形铁丝；C为一可调节的滴管，可以调节水流速度使水杯F中的液面慢慢下降，以便在n形铁丝下面

5、形成液膜，直至破裂；E为铁架；D为自行设计的传感器供电及检测显示装置．该装置可以给传感器供电、检测传感器输出信号、对信号进行单位换算、模数转换及数字显示，它在处理传感器的电压信号时具有很大的优越性．1lP豳IB。JP马FId—4／’_=_J非c口：广]u?／。≥‰图1实验装置与传统使用约利弹簧测量液体表面张力的实验相比，此装置有两处改进：1)传感器代替了约利弹簧在使用约利弹簧进行实验时，由于弹簧形变大，在实验中需要改变弹簧的高度，而使用传感器进行实验时，由于传感器的形变很小，因此将传感器直接收稿日期：2006

6、-1卜13作者简介：伊鑫(1984一)，男，四川自贡人，北京师范大学物理系2003级本科生万方数据第2期伊鑫，等：拉脱法测量纯水表面张力系数实验的研究61饲定到铁架上．这个改进解决了约利弹簧容易损坏的问题．2)可调节的滴管取代螺旋测微仪通过理论研究发现，使用传感器测量表面张力系数时不需要测量液膜破裂时的高度，故将使用约利弹簧测量表面张力系数实验中的螺旋测微仪改为可调滴管．这一改进有利于形成稳定的液膜，减小人为操作带来的不利影响．1．2实验理论分析研究分析使用传感器测量表面张力系数的实验过程，发现可以将Ⅱ形铁丝

7、拉出液面直至破裂的过程分为“过程一”、“临界状态∑”、“过程二”3个阶段．在“过程一”中，铁丝刚拉出水面．铁丝和液膜组成的系统的受力情况如图2所示：铁丝的重力，铁丝受到的向上拉力，铁丝下面液膜的重力，液膜的表面张力(没表示)，以及液膜上表面受到的大气压力和液膜下面的液体压力(没表示)．其中液膜受到的大气压力和液膜下的液体压力对系统(铁丝和液膜)的总作用很小可以将其忽略⋯．设铁丝质量为研，长为Z，直径为d，铁丝拉出液面的高度为h，液膜分成两部分，其中阴影部分的重力大小为palhg(p为液体的密度)，其余部分的重

8、力大小为2mog．液膜表面张力系数为盯，液膜的表面张力大小为．厂兰以，它与竖直方向的夹角为妒，如图3所示．根据文献[1]中的推导可知：脚ogpdlhg珊og“图2“过程一”中铁丝和整块液膜组成的力学系统受力情况(侧面图，表面张力没表出)对铁丝和整块液膜所组成的系统有F=mg+一z^g+2mog对阴影部分以外的液膜有fcos驴。alcos妒2mog由式(1)、(2)联立，可得(1)(2)F=mg+pd