复旦大学：《设计性研究性物理实验》学生论文_液体表面张力系数的非电量电测

第14卷第3期 大学物理实验 Vol. 14 No. 3 2001年9月出版 PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGE Sep.2001 文章编号:1007-2934(2001)03-0003-03 液体表面张力系数的非电量电测 李佳麟曹超陆申龙 (复旦大学,上海,200433) 摘要:使用电阻应变原理测量液体表面张力系数,实现了非电量电测,而且提高了实 验精度和稳定性。 关键词:电阻应变计;拉脱法;表面张力系数 中图分类号:0441.1 文献标识码:A 1引言 液体表面张力系数是表征液体性质的一个重要参数。该参数在工业、医学和科学研 究中有着重要应用。以往普物实验中测量表面张力系数的常用方法有拉脱法、毛细管法 和最大泡压法等。传统拉脱法实验测量力的大小常采用焦利秤,但这种测量方法一般准 确度较低,稳定性不高,且不能非电量电测,为此笔者采用电阻应变计荷重传感器代替焦 利秤对液体表面张力大小进行测量。 经多次试验证实,该方法不仅提高了实验的准确度和稳定性,而且还可以实现计算机 的实时测量。该物理实验可以帮助学生了解电阻应变计的工作原理和如何用传感器及非 平衡电桥将非电量转化为电学量测量的方法,扩大学生的知识面。 2原理 2.1电阻应变片测量拉力 电阻应变计式荷重传感器由弹性梁和贴在梁上的四块电阻应变片组成(图1a)。电 阻应变片构成桥式电路(图1b)。当外界压力作用于梁上时,电阻应变片相应地产生电阻 值的改变。使电桥失去平衡,产生信号输出,输出电压与所加外力成线性关系,即 △V=l ∫为所加外力,△V为相应的电压改变量,k与输入电压有关 2.2拉脱法 个金属环固定在传感器上。将该环浸没于液体中,并渐渐拉起圆环,当它从液面拉 脱瞬间液体传感器受到的拉力为 收稿日期:2001-05-30 万方数据

第14卷 第 3期 2001年 9月出版 大 学 物 理 实 验 PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGE Vol.14 No. 3 Sep. 2001 文章编号:1007一2934(2001)03一0003一03 液体表面张力系数的非电量电测 李佳麟 曹超 陆申龙 (复旦大学，上海,200433) 摘 要:使用电阻应变原理测量液体表面张力系数，实现了非电量电测，而且提高了实 验精度和稳定性。 关键词:电阻应变计;拉脱法;表面张力系数 中图分类号:0441.1 文献标识码:A 引言 液体表面张力系数是表征液体性质的一个重要参数。该参数在工业、医学和科学研 究中有着重要应用。以往普物实验中测量表面张力系数的常用方法有拉脱法、毛细管法 和最大泡压法等。传统拉脱法实验测量力的大小常采用焦利秤，但这种测量方法一般准 确度较低，稳定性不高，且不能非电量电测，为此笔者采用电阻应变计荷重传感器代替焦 利秤对液体表面张力大小进行测量。 经多次试验证实，该方法不仅提高了实验的准确度和稳定性，而且还可以实现计算机 的实时测量。该物理实验可以帮助学生了解电阻应变计的工作原理和如何用传感器及非 平衡电桥将非电量转化为电学量测量的方法，扩大学生的知识面。 2 原理 2.1 电阻应变片测量拉力 电阻应变计式荷重传感器由弹性梁和贴在梁上的四块电阻应变片组成(图 1a)。电 阻应变片构成桥式电路(图1b)。当外界压力作用于梁上时，电阻应变片相应地产生电阻 值的改变。使电桥失去平衡，产生信号输出，输出电压与所加外力成线性关系，即: AV=kf (1) f为所加外力，AV为相应的电压改变量，k与输人电压有关。 2.2 拉脱法 一个金属环固定在传感器上。将该环浸没于液体中，并渐渐拉起圆环，当它从液面拉 脱瞬间液体传感器受到的拉力为 收稿 日期:2001 -05-30 万方数据

R R 图1电阻应变计及电桥 =(d1+ d2)a+mg (2) 式中,m为金属环的质量,d1、d2分别为圆环的外径和内径,a为液体的表面张力系 数g为重力加速度。所以液体的表面张力系数为: ng =(a1+l2) (3) 3实验仪器与装置 实验中笔者使用的BHR-8型传感器在10V的工作电压下的灵敏度约为29V/N 由于拉脱小环所需的力约为001N,使传感器的输出电压的变化约是003V;而小环的重 力作用在传感器上及仪器本身的因素造成表面张力为零时(环未浸没在水中)的电压输出 约是5mv。为了便于使用一般的三位半电表测量。笔者使用一个放大器放大信号,同时 使用一个补偿电压来使无表面张力时BR-8型传感器输出为零。这样,电压读数的变 化值与表面张力的关系为: 图2为实验装置图,实验线路图如图3所示: 工作屯压 补偿电压 BHR-8 放大器 图2实验装置 图3实验线路 4实验结果 4.1定标 万方数据

图1 电阻应变计及电桥 f=(dl+d2) a+mg 式中，m为金属环的质量，dl,内分别为圆环的外径和内径，a (2) 为液体的表面张力系 数B为重力加速度。所以液体的表面张力系数为: (dl+d2) (3) 3 实验仪器与装置 实验中，笔者使用的BHR一8型传感器在10V的工作电压下的灵敏度约为2 . 9ttV/No 由于拉脱小环所需的力约为0.01N，使传感器的输出电压的变化约是0.03tLV;而小环的重 力作用在传感器上及仪器本身的因素造成表面张力为零时(环未浸没在水中)的电压输出 约是5mV。为了便于使用一般的三位半电表测量。笔者使用一个放大器放大信号，同时 使用一个补偿电压来使无表面张力时BHR一8型传感器输出为零。这样，电压读数的变 化值与表面张力的关系为: V=kf (4) 图2为实验装置图，实验线路图如图3所示: 工作电压 图2 实脸装里 图3 实验线路 4 实验结果 4.1 定标 万方数据

拉力传感器加上各种质量的砝码,测出相应的电压输出值表1。 1m与V的关系 物体质量m(g 0500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 输出电压UmV) 128 206 276 344 416 上海市的重力加速度g=9794m/s2 经最小二乘法拟合得k=14410mV/N,拟合的线性相关系数r=09997 42测量 金属环外径d1=2.902cm,内径d2=2.710m 水的温度:T=19.7℃ 寝2a测量数据 测量次数 v(mv) f(N) ((N/m) 177 0.01229 00697 0.01270 0.0721 0.01250 0.0709 181 0.01256 0.0713 a=7.10×10-2N/n 经查表,在19.7℃下纯水的表面张力系数的标准值为7280×10-2N/m,测量的相对 误差为2.5%。 5结束语 通过本实验学生不仅可以深刻了解表面张力的性质,掌握表面张力系数的测量方法, 使学生了解在科研实践方面日益普遍的电测量的原理、方法,更可以使学生深刻了解补偿 法在测量绝对量大、变化量小的物理量时为提高测量准确度的应用。 参考文献 1〕贾玉润等.大学物理实验.复旦大学出版社,1987 2〕华东电子仪器厂,BHR-8型电阻应变式荷重传感器使用说明书,1992 ELECTRONIC MEASUREMENT OF THE LIQUID SURFACE TENSION COEFFICIENT Li Jialing Cao Chao Lu Shenlong Department of Physics, Fudan University, Shanghai, 200432) Abstract: The conefficient of surface tension is electronically measured by using resistance strain gauge and accuracy and stability of the experiment is also improved ey words: tesistance strain gauge, pull -out method, coefficient of surface tension 万方数据

拉力传感器加上各种质量的珐码，测出相应的电压输出值表 11 衰1 。与 v的关系 物体质量m(g) 翰出电压U(mv) 0.500 1.峨阅日 1.500 128 206 2.000 2.5的 344 3.000 416 上海市的重力加速度g = 9.794m/s2 经最小二乘法拟合得 k二1.44 x 104mV/N，拟合的线性相关系数 r = 0. 9997 4.2 测量 金属环外径dl = 2.902cm，内径d2 = 2.710em 水的温度:T= 19.7`C 衰2 a侧，数据 测量次数 V(mv) j(N) a((N/m) 0.01229 0.01270 0.01250 0.01256 0.0697 0.价 21 0.0709 0.0713 7 8 38 08 1 吸.盈 2 凡J 4 …a=7.lox 10一2N/m 经查表，在 19.7℃下纯水的表面张力系数的标准值为7.280 x 10-2N/m,测量的相对 误差为2.5%. 5 结束语 通过本实验学生不仅可以深刻了解表面张力的性质，掌握表面张力系数的测量方法， 使学生了解在科研实践方面日益普遍的电测量的原理、方法，更可以使学生深刻了解补偿 法在测量绝对量大、变化量小的物理量时为提高测量准确度的应用。 参 考 文 献 (1) 贾玉润等 .大学物理实验 .复旦大学出版社，1987 (2〕 华东电子仪器厂 .BHR - 8型电阻应变式荷重传感器使用说明书，1992 ELECTRONIC ME ASUREME NT OF THE LIQUID SURFACE TENSION COEFFICIENT 1.i Baling Cao Chao Im Shenlong (Department of Physics, Fudan University, Shanghai,200432) Abstract:The conefficient of, surface tension is electronically measured by using resistance strain gauge and the accuracy and stability of the experiment is also improved. Key words: tesistance strain gauge,pul一out method, coefficient of surface tension 万方数据