实验4 用力敏传感器测定液体表面张力系数(66-69)3100

实验四 用力敏传感器测定液体的表面张力系数

体表面层内的分子，由于受到不对称的分子力作用，使液体自由表面犹如一张拉紧的弹性薄膜，都有收缩趋势，因此液体表面内存在张力，称为液体表面张力。表面张力是液体表面的重要特性，是液体表面内分子力作用的结果。对于表面张力的研究，可以为分析分子的分布和液体表面结构提供有用的线索，说明泡沫、湿润和毛细现象等。测量液体的表面张力系数有多种方法，如拉脱法、毛细管法、平板法、最大泡压法等。本实验用拉脱法，利用力敏传感器进行测量。 【实验目的】

1．学习用砝码对硅压阻力敏传感器进行定标,计算该传感器的灵敏度,掌握传感器的定标方法；

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．测量纯水和其它液体的表面张力系数；

4．测量液体的浓度与表面张力系数的关系（如酒精不同浓度时的表面张力系数）。 【实验仪器】

液体表面张力系数测定仪、垂直调节台、硅压阻力敏传感器、铝合金吊环、0.5g片码（7只）、吊盘、玻璃皿（2个）、镊子钳、游标卡尺、支架

1、调节螺丝 2、升降螺丝 3、玻璃器皿 4、吊环 5、力敏传感器 6、支架 7、固定螺丝 8、航空插头 9、底座 10、数字电压表 11、调零旋钮

图11-1

硅压阻力敏传感器液体表面张力系数测定仪是一种新型拉脱法液体表面张力系数测定仪。具有以下三个优点：

1．用硅压阻力敏传感器（又称半导体应变计）测量液体与金属相接触的表面张力，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。

2．用一定高度的薄金属环，吊环不易变形，反复使用不易损坏或遗失。

3．吊环的外型尺寸经专门设计和实验，对直接测量结果一般不需要校正，可得到较准确可靠的结果。因此本仪器测量液体表面张力系数误差小，重复性好；有利于学生学习和掌

实验十二 用力敏传感器测量液体表面张力系数 - 67 -

握硅压阻力敏传感器的原理和方法。

液体表面张力测定仪包括硅扩散电阻非平衡电桥的电源和测量电桥失去平衡时输出电压大小的数字电压表。其他装置包括铁架台、微调升降台、装有力敏传感器的固定杆，盛液体的玻璃皿和圆环形吊片。实验证明，当环的直径在3cm附近而液体和金属环接触的接触角近似为零时，运用公式(11-1)测量各种液体的表面张力系数的结果较为正确。 【实验原理】

测量一个已知周长的金属片从待测液体表面脱离时需要的力，求得该液体表面张力系数的实验方法称为拉脱法。若金属片为环状吊片时，考虑一级近似，可以认为脱离力为表面张力系数乘上脱离表面的周长，即

FD1D2 (11-1) 式中，F为脱离力，D1，D2分别为圆环的外径和内径，为液体的表面张力系数。硅压阻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

F(U1U2)/B (11-2) 式中，F为外力的大小，B为硅压阻力敏传感器的灵敏度，单位为V/N，UU1U2为传感器输出电压的大小。液体的表面张力是表征液体性质的一个重要参数。测量液体的表面张力系数有多种方法，拉脱法是测量液体表面张力系数常用的方法之一。该方法的特点是，用秤量仪器直接测量液体的表面张力，测量方法直观，概念清楚。用拉脱法测量液体表面张力，对测量力的仪器要求较高，由于用拉脱法测量液体表面的张力约在1103~1102N之间，因此需要有一种量程范围较小，灵敏度高，且稳定性好的测量力的仪器。近年来，新发展的硅压阻力敏传感器张力测定仪正能满足测量液体表面张力的需要，灵敏度高，稳定性好，且可数字信号显示。

为了对各类液体表面张力系数有深刻的理解，对水进行测量以后，再对不同浓度的酒精溶液进行测量，这样可以明显观察到表面张力系数随溶液浓度的变化而变化的现象，从而对这个概念加深理解。 【实验内容】

一．必做部分：

1．力敏传感器的定标

每个力敏传感器的灵敏度都有所不同，在实验前，应先将其定标。步骤如下： (1) 打开仪器的电源开关，将整机预热15分钟以上，可对力敏传感器定标。

(2) 将砝码盘挂在硅压阻力敏传感器的钩上，在加砝码（安放砝码时应尽量轻）前应首先对仪器调零，调节液体表面张力系数测定仪调零旋钮，使数字电压表显示为零。

(3) 在砝码盘上分别加0.5g、1.0g、 1.5g 、2.0g、 2.5g、3.0g、3.5g等质量的砝码，记录相应这些砝码力F作用下，数字电压表的读数值U。

(4) 用最小二乘法作直线拟合，求出传感器灵敏度B。 2．环的测量与清洁

(1) 用游标卡尺测量金属圆环的外径D1和内径D2。

(2) 环的表面状况与测量结果有很大的关系。实验前应清洗玻璃器皿，金属环状吊片在NaOH溶液中浸泡20~30秒，然后用净水洗净。

3．测量液体的表面张力系数

(1) 在玻璃器皿内放入被测液体并安放在升降台上（玻璃盛器底部可用双面胶与升降台

- 68 - 基 础 物 理 实 验（二）

面贴紧固定），将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。如果不平行，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。

(2) 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(吊环和水面严格全部接触)。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，继续下降液面，测出环形液膜即将开始拉断一瞬间数字电压表读数值U1（最大值）和液膜拉断一瞬间数字电压表读数值U2（最小值），U1和U2是瞬间数字，只出现一次。UU1U2，在测定液体表面张力系数过程中，可观察到液体产生的浮力与张力的情况与现象，以顺时针转动升降台大螺帽时液体液面上升，当环下沿部分均浸入液体中时，改为逆时针转动该螺帽，这时液面下降（或者说相对吊环往上提拉），观察环浸入液体中及从液体中拉起时的物理过程和现象。特别注意吊环即将拉断液柱前一瞬间数字电压表读数值，拉断瞬间数字电压表读数值。

(3) 将实验数据代入公式(11-2)和（11-1)，求出液体的表面张力系数。 二．选做部分：

测出其他待测液体，如酒精、乙醚、丙酮等在不同浓度时的表面张力系数。

【注意事项】

1．吊环须严格处理干净。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，注意偏差1°，测量结果引入误差为0.5%；偏差2°，则测量结果引入误差1.6%。

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，所测系数不正确。

6．若液体为纯净水。在使用过程中防止灰尘和油污及其它杂质污染。特别注意手指不要接触被测液体。

7．力敏传感器使用时用力不宜大于0.098N。过大的拉力导致传感器损坏。 8．实验结束须将吊环用清洁纸擦干，用清洁纸包好，放入干燥缸内。 【实验数据和记录】

1． 硅压阻力敏传感器定标

表11-1 力敏传感器定标 物体质量m/g 输出电压V/mV 2． 水和其它液体表面张力系数的测量

表11-2 纯水的表面张力系数测量 (水的温度（ ） ℃) 测量 次数 1 2 U1/mV U2/mV U/mV f/103N 103N/m 实验十二 用力敏传感器测量液体表面张力系数 - 69 -

3 4 5 6 表11-3 乙醇的表面张力系数测量(乙醇的温度（ ）℃) 测次 数 1 2 3 4 5 【思考题】

1．随着液体温度的变化，液体的表面张力系数如何变化？ 2. 液体中混入其他杂质后，液体表面张力系数会如何变化？ 3. 为什么对硅压阻力敏传感器进行定标？

量 U1/mV U2/mV U/mV f/103N 103N/m