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彈簧秤測量水的表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)措施及效果

來源:物理實(shí)驗(yàn) 瀏覽 765 次 發(fā)布時(shí)間:2025-09-15

摘要:針對傳統(tǒng)約利彈簧秤測量液體表面張力系數(shù)時(shí)易出現(xiàn)升降過程運(yùn)行不穩(wěn)定、液膜提前破裂、儀器內(nèi)部的細(xì)繩易打滑或斷裂等問題,對該儀器的核心裝置——升降機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),以螺紋結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的帶輪結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明:改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置可以克服上述缺點(diǎn),且操作方便、實(shí)驗(yàn)誤差小、重復(fù)性好。


約利彈簧秤是一種精細(xì)彈簧秤,常用來測定微小的力。利用約利彈簧秤采用拉脫法測量液體表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn),因其實(shí)驗(yàn)原理及物理意義清晰明確,設(shè)備簡單,且能很好鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力,是大學(xué)普通物理實(shí)驗(yàn)中的常規(guī)實(shí)驗(yàn)之一。


傳統(tǒng)約利彈簧秤的升降主尺刻在內(nèi)筒上,采用細(xì)繩連接滑輪驅(qū)動(dòng)內(nèi)筒及主尺上下移動(dòng)。但在實(shí)際測量過程中,這種結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定、易損壞等問題,因此對該實(shí)驗(yàn)的探討和改進(jìn)一直以來備受廣大高校師生的關(guān)注。針對上述問題,本文對傳統(tǒng)約利彈簧秤的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),保留其測量終端不變,測量方法不變,保證改進(jìn)前后,儀器測量范圍一致。


1實(shí)驗(yàn)原理


實(shí)驗(yàn)時(shí)將Π型金屬絲掛在小平面鏡下端的小鉤上,當(dāng)“三線對齊”(指示鏡上的刻線、玻璃管上的刻線以及玻璃管上的刻線在指示鏡上的像三者重合)時(shí)記下游標(biāo)尺的讀數(shù)L?,然后將金屬絲浸入液體中,在始終保持“三線對齊”的狀態(tài)下用彈簧拉出液膜,在液膜斷裂時(shí)記下游標(biāo)尺讀數(shù)L?,則有


F-W=k L?-L?=kΔL,(1)

其中,F(xiàn)為向上的拉力,W為金屬絲所受重力和浮力之差,k為彈簧的勁度系數(shù),ΔL為彈簧的伸長量。由于液膜的重力很小,可以忽略,則液體的表面張力系數(shù)為


α=(F-W)/(2l),(2)


其中,l為金屬絲長度。由式(1)和式(2)可得


α=kΔL/(2l)。(3)


實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是利用約利彈簧秤精確測量Π型金屬絲拉框上升時(shí)的微小力(F-W),從而利用式(3)計(jì)算出液體表面張力系數(shù)α。


傳統(tǒng)的約利彈簧秤一般由升降機(jī)、支架和測量部分組成,其中升降機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。


升降機(jī)結(jié)構(gòu)的工作原理為:內(nèi)筒的內(nèi)部固定安裝金屬桿,金屬桿的下端通過輪軸安裝轉(zhuǎn)輪,細(xì)繩的上端固定在內(nèi)筒的內(nèi)側(cè)A處,下端固定在外筒的下端B處,轉(zhuǎn)輪壓在細(xì)繩上,在測量過程中,旋轉(zhuǎn)手輪,通過輪軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)輪在細(xì)繩上的旋轉(zhuǎn)改變了轉(zhuǎn)輪兩側(cè)細(xì)繩的長度比,使得金屬桿帶動(dòng)內(nèi)筒在外筒內(nèi)升降,利用游標(biāo)讀出內(nèi)筒移動(dòng)的準(zhǔn)確位置。


2傳統(tǒng)約利彈簧秤存在的問題


在測量液體表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)過程中,要求約利彈簧秤內(nèi)筒始終保持緩慢平穩(wěn)地升降。但在實(shí)際操作過程中,內(nèi)筒極易出現(xiàn)“蹦跳”現(xiàn)象,使得液膜提前破裂,從而造成測量誤差。Eth其原因在于約利彈簧秤采用的是帶輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是細(xì)繩極易打滑和被拉斷,因此細(xì)繩需有良好的彈性,且與轉(zhuǎn)輪有良好的接觸面,并能產(chǎn)生較大的摩擦力。由于細(xì)繩具有彈性,當(dāng)轉(zhuǎn)輪暫停轉(zhuǎn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)極其緩慢時(shí),細(xì)繩被拉長,內(nèi)筒不動(dòng);當(dāng)轉(zhuǎn)輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)較快,細(xì)繩彈力達(dá)到一定值時(shí),內(nèi)筒會(huì)突然向上“蹦跳”,即瞬間升高到某一位置。


以上現(xiàn)象將從兩個(gè)方面導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生誤差:


1)內(nèi)筒“蹦跳”時(shí)對液膜產(chǎn)生振動(dòng)力,導(dǎo)致液膜提前被拉破。


2)由于內(nèi)筒向上“蹦跳”是一段較長距離,液膜在此期間被拉破瞬間,內(nèi)筒實(shí)際上升的位置無法確定,即彈簧的實(shí)際伸長量ΔL無法確定。


因此,帶輪傳動(dòng)導(dǎo)致的誤差是測量誤差的主要來源,已經(jīng)超出讀數(shù)誤差的數(shù)量級,故通過游標(biāo)來增加讀數(shù)精確度的實(shí)驗(yàn)效果不理想。另外,在約利彈簧秤長期使用過程中,其內(nèi)部的帶輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)還易打滑、斷裂,致使內(nèi)筒不能平穩(wěn)升降,將導(dǎo)致約利彈簧秤無法正常工作,且修復(fù)困難。


3改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置

為了解決傳統(tǒng)約利彈簧秤在使用中存在的問題,本文對其升降機(jī)部分進(jìn)行了改進(jìn),利用螺紋結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的帶輪結(jié)構(gòu)(見圖2),能夠有效避免約利彈簧秤在操作過程中的“蹦跳”和易損壞問題。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示,底盤邊緣處垂直安裝彎臂,彎臂水平部分的端部固定安裝立管,在立管的內(nèi)圓柱孔中向上垂直安裝約利彈簧秤的外筒,將外筒底部嵌入螺母并固定,螺母內(nèi)部旋入螺桿,通過螺桿在螺母中旋轉(zhuǎn),可帶動(dòng)內(nèi)筒上下平穩(wěn)移動(dòng)。螺桿與螺母均采用國家標(biāo)準(zhǔn)的精密滾珠絲杠,以消除螺紋間隙,提高測量精度。

4實(shí)驗(yàn)


以溫度T=15℃時(shí)的蒸餾水為待測液體,利用原有的和改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。其中,實(shí)驗(yàn)所用彈簧的勁度系數(shù)k=0.88 N/m,Π型金屬絲長度為l=4.200 cm。


4.1原有實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果


實(shí)驗(yàn)步驟:


1)調(diào)節(jié)手輪,帶動(dòng)內(nèi)筒上下移動(dòng),使指示鏡上的刻線、玻璃管上的刻線及玻璃管上刻線在指示鏡上的像重合,即“三線對齊”時(shí),讀出此時(shí)Π型金屬絲在空氣中游標(biāo)零線所指示的標(biāo)尺讀數(shù)L?。


2)調(diào)節(jié)載物臺下端旋鈕,上移盛有蒸餾水的燒杯,使金屬絲浸入蒸餾水,且使金屬絲與液面平行時(shí)“三線對齊”。


3)繼續(xù)調(diào)節(jié)手輪,帶動(dòng)內(nèi)筒上升,使Π型金屬絲從液面向上提拉,同時(shí)緩慢旋轉(zhuǎn)平臺旋鈕,使載物臺帶著盛有蒸餾水的燒杯下移,以保持“三線對齊”的狀態(tài)。此過程中可以看到Π型金屬絲與液面間剛拉出水膜到水膜處于臨脫狀態(tài)的整個(gè)過程,該過程要始終保持“三線對齊”的狀態(tài)。


4)記錄水膜剛好被拉破時(shí)標(biāo)尺的讀數(shù)L?,計(jì)算得到彈簧的伸長量ΔL,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1原有約利彈簧秤測量水的表面張力系數(shù)數(shù)據(jù)表


由表1可得:彈簧伸長量的平均值ΔL=0.65 cm,代入式(3),計(jì)算可得蒸餾水的表面張力系數(shù)α=(68.08±2.72)×10?3N/m。15℃時(shí)水的表面張力系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為73.5×10?3N/m。因此,該實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對偏差E_r=5.98%。


4.2改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果


實(shí)驗(yàn)步驟同4.1,但在步驟3)中開始拉膜時(shí),只需打開流水筒上的出水管讓流水筒中的液體流出,流水筒內(nèi)液面下降,由于液體表面張力的作用,彈簧被拉長。此時(shí),緩慢旋轉(zhuǎn)手輪,帶動(dòng)內(nèi)筒平穩(wěn)上升,并始終保持“三線對齊”的狀態(tài),直到待測液體表面薄膜被拉破,讀出標(biāo)尺讀數(shù)L?,即可計(jì)算得到彈簧的伸長量ΔL,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2改進(jìn)后約利彈簧秤測量水的表面張力系數(shù)數(shù)據(jù)表


由表2可得:彈簧伸長量的平均值ΔL=0.69 cm,代入式(3),計(jì)算可得蒸餾水的表面張力系數(shù)α=(72.30±0.84)×10?3N/m,相對偏差E_r=1.63%。


通過對比以上實(shí)驗(yàn),可以得出改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置具有以下特點(diǎn):


1)金屬框的拉脫、升降采用螺紋傳動(dòng),實(shí)現(xiàn)了約利彈簧秤內(nèi)筒始終保持緩慢平穩(wěn)的升降,較好地解決了細(xì)繩打滑、拉斷和“蹦跳”等問題。


2)能夠延長約利彈簧秤的使用壽命,避免原儀器的反復(fù)維修。


3)流水筒內(nèi)水面自動(dòng)下降,“三線對齊”更易于操作。


4)測量精度更高,實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性和重復(fù)性更好,操作更方便。


5結(jié)束語


通過將原有約利彈簧秤中的帶輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)為螺紋傳動(dòng)結(jié)構(gòu),有效地解決了約利彈簧秤測量中存在的“蹦跳”問題。從對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,使用改進(jìn)后的約利彈簧秤測量液體表面張力系數(shù)的測量精度比原有儀器高,且測試更方便,儀器更耐用,降低了實(shí)驗(yàn)成本。


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