基于手机软件测量透明液体浓度的实验研究.pdf
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1、第 卷第 期大学物理实验.年 月 .收稿日期:基金项目:教育部高等学校物理学类专业教学指导委员会固体物理课程教学研究项目()河南省高等教育教学改革研究与实践项目()河南省教师教育课程改革研究项目()郑州师范学院本科教学改革研究重点项目()郑州师范学院教师教育课程改革研究重点项目()郑州师范学院大学生创新性实验计划()郑州地方高校教学改革研究与实践项目()通讯联系人文章编号:()基于手机软件测量透明液体浓度的实验研究王 君高静敏杨雅舒郭梦雨赵 高唐亚楠(郑州师范学院 物理与电子工程学院河南 郑州)摘要:基于手机功能软件设计一种简易的测量透明液体(乙醇、葡萄糖、冰乙酸和食盐溶液)浓度的实验装置 利
2、用手机软件的角度测量功能对光束的入射角和折射角进行读取采用斯涅尔定律计算不同液体浓度的折射率通过 软件绘制出不同液体浓度与折射率的线性关系 研究发现:自制仪器测试的液体浓度与标准仪器测量值比较吻合折射率越大对应的液体浓度越大 其中葡萄糖溶液的折射率与浓度的线性相关性最明显 自制实验装置结合手机软件测量液体浓度的方法简单、成本低拓展了其在普通物理光学实验中的应用范围关键词:折射率手机功能软件透明液体浓度中图分类号:文献标志码:./.大学物理实验投稿网址:/.溶液浓度称摩尔浓度又称物质的量浓度在医药、食品、化工、石油等方面测定液体的浓度具有重要的研究意义 目前常见的测量溶液浓度的方法有折射法、光纤
3、传感器法和旋光仪法等 上述方法都有各自的技术特点但由于其实验器材价格昂贵、操作要求较高需要实验操作人员对实验仪器的操作有较高的熟练度 因此有必要设计低成本、操作简单的液体浓度的测量装置近年来智能手机普及率和功能性不断提升内置多种测量功能软件的手机经常作为协助测量物理量(如刚体的转动惯量、重力加速度、磁场分布)的工具应用于大学物理实验当中 基于以上的背景及问题利用智能手机角度测量功能设计出一种实验器械要求低、简单易操作的实验装置测量出来的几种透明液体浓度与标准仪器测量结果相吻合对普通物理光学实验的拓展应用有参考意义 实验原理.液体浓度与折射率的关系利用不同浓度溶液的折射率不同建立溶液浓度 与折射
4、率 的函数关系图以及线性回归方程如公式()所示可知浓度 与折射率 呈线性关系其中、为待定系数 由于液体的浓度 与折射率 有关且两者具有线性关系:()通过精确配制 组已知浓度的液体样品逐一测出相应的折射率得出、建立 组数据的线性回归方程 利用最小二乘法确定 的函数关系其中 为待测液体样品浓度为零时的折射率 为相关系数为所配液体浓度为测量液体的折射率.测定溶液的折射率测量实验装置如图 所示当一束激光入射到待测溶液的水槽中可清晰地观察到激光光束从水槽外射入经一侧有机玻璃进入待测溶液再经另一侧有机玻璃折射到空气中 记录光束从待测溶液穿过有机玻璃板出射到空气的一段光路其中待测溶液与有机玻璃板的界面处为光
5、线折射面从溶液入射的角度为 有机玻璃板折射的角度为 空气折射率为 .溶液折射率为 有机玻璃板折射率为 图 测试液体浓度的示意图光线发生折射时有以下关系:()实验时需测得 的值代入式()即可求出溶液折射率 实验仪器及步骤.实验仪器测量透明液体浓度的实验装置如图 所示实验器材有激光笔、有机玻璃板、系列手机的内置测量仪软件、实验应用程序、手机支架、手动升降台图 实验装置的示意图待测溶液(乙醇溶液、葡萄糖溶液、食盐、冰乙酸溶液)、纯水、型数字式阿贝折射仪、量筒、电子天平、胶头滴管、烧杯 其中自制的矩形水槽是由 块有机玻璃组成的其底面大小为 两块容器侧面大小为 两块前后面大小为 .实验步骤()配制、浓度
6、的乙醇溶液()激光笔固定在合适水平高度(稍低于水槽表面便于观察实验现象)使光线能够斜射入水槽中在暗室的环境下观察到有明显的光路即为最佳实验现象()将手机固定在手机支架上调节到合适的高度智能手机安装实验应用程序 ()启动应用程序在“工具”菜单中点击斜面功能测量手机倾斜角度调节手机水平()打开手机软件 手机测量仪在“菜单”中点击量角器功能测量光束通过溶液和有机玻璃板的入射角和折射角 通过公式()可计算出在此浓度下溶液的折射率记录数据()利用最小二乘法找到溶液浓度与折射率的线性回归方程()为保证实验仪器测量结果的准确性分别配制了、浓度的葡萄糖、冰乙酸溶液和、的食盐溶液进行验证 结果讨论与分析由于液体
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