基于手机软件测量透明液体浓度的实验研究.pdf

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折射率受环境温度的影响实验环境温度应保持恒定 本实验测量结果的环境温度为 得到乙醇溶液浓度与折射率的函数关系如图()所示 利用手机中的角度测量仪软件先测得有机玻璃的折射率为.乙醇溶液的实验测量数据如表 所示标准值是用数字式阿贝折射仪测量所得 分析乙醇溶液的实验数据得:乙醇溶液的折射率随溶液浓度的增大呈现上升趋势 由于食盐有一定的溶解度在 时 水中最多溶解 食盐食盐溶液的浓度为.因此所设置的测试食盐溶液浓度的范围是 对比测量值和标准值发现:自制实验装置与数字式阿贝折射仪的实验数据比较吻合因此自制实验装置具有器材简单、成本较低、操作方便的优点 第 期王 君等:基于手机软件测量透明液体浓度的实验研究表 不同溶液浓度的测量数据液体浓度/乙醇溶液测量值.标准值.葡萄糖溶液测量值.标准值.冰乙酸溶液测量值.标准值.溶液浓度/食盐溶液测量值.标准值.进一步检验实验装置测量的准确度测量不同浓度的葡萄糖溶液、冰乙酸溶液和食盐溶液其浓度与折射率的关系如图()()所示测量溶液浓度与折射率的曲线关系与标准数值趋于一致乙醇溶液/()葡萄糖溶液/()冰乙酸溶液/()食盐溶液/()图 不同液体浓度与折射率的关系图乙醇溶液葡萄糖溶液冰乙酸溶液和食盐溶液的测量结果误差范围分别为.和.这些结果在测量范围内的误差不超过.定标与分析首先利用上述实验装置对乙醇溶液浓度进行检测 配制标准浓度的乙醇溶液并测量相应浓度的溶液折射率 利用同种溶液不同浓度的折射率变化建立溶液浓度 与折射率 的函数关系图如图()所示乙醇溶液浓度 与折射率 呈线性关系用最小二乘法得线性回归方程为.相关系数.利用标定后的系统可对其他待测溶液的浓度进行测量在室内温度为 的情况下满足经验公式如图()()所示葡萄糖溶液的折射率的线性回归方程为.线性拟合系数.冰乙酸溶液的折射率的线性回归方程为.线性拟合系数.食盐溶液的折射率的线性回归方程为 .线性拟合系数 .其中拟合线性系数越接近 说明测量结果的准确度越接近拟合直线 比较发现:乙醇溶液和冰乙酸溶液的拟合系数分别为.和.这些值小于葡萄糖溶液和食盐溶液的线性拟合系数原因是乙醇溶液和冰乙酸溶液在测量过程中容易挥发溶液浓度不断降低影响对折射率的测定 对比实验测量结果发现:随着不同溶液浓度的逐渐增加溶液的折射率也随之增加且溶液的折射率和溶液的浓度呈线性关系 因此只要测得溶液的折射率就会得到相应溶液的浓度值大 学 物 理 实 验 年乙醇浓度/()葡萄糖浓度/()冰乙酸浓度/()食盐浓度/()图 实验测得不同溶液 曲线关系图.误差分析()入射角和折射角测量过程中存在误差因为实验所用的激光光束有一定宽度入射角和折射角的测量需要手动确定位置后再进行读数在确认光束中心位置时可能会产生偏差 实验读数时应多次调节光束位置多次测量数据求平均值减小误差()实验测量数据时手机是否保持水平会引起测量误差 利用实验应用程序 中斜面功能对手机进行调平减小误差()溶液的折射率受温度变化的影响 实验环境温度不能保证绝对恒定对溶液的折射率测量结果会产生微小影响 在相同的环境下进行实验有效降低温度对实验结果的影响 结 语通过透明液体折射率方法测量液体浓度利用 软件绘制出液体浓度与折射率的线性关系 实验结果发现:随着不同溶液浓度的增加溶液的折射率也会增加即溶液的折射率与浓度呈线性关系 相比其他溶液葡萄糖溶液的线性拟合系数更趋近于 说明其折射率与浓度线性关系更密切 在测定溶液折射率的情况下由溶液浓度与折射率的线性回归方程得出该溶液的浓度 采用手机软件能够对测试图像进行保存并及时读取测量数据有效减少人为观察实验过程造成的误差 本实验测量装置具有实验器材简单、操作方便、且精度较高的特点对学生开展设计性实验具有参考价值参考文献:郭山河田云霞乔亚力等.折射法检测透明液体浓度的研究.光学技术():.张伟刚许兆文开桂云等.强度型光纤浓度传感器的设计与实现.仪器仪表学报():.陈孝友刘隆鉴陈情.用旋光仪测量透明混合液体的体积浓度.四川工业学院学报():.张颖涛李晓兰孙士帅.利用智能手机拍摄功能测量刚体 的 转 动 惯 量 .大 学 物 理 实 验 第 期王 君等:基于手机软件测量透明液体浓度的实验研究():.张顺肖帅曹静等.利用智能手机和自制复摆测量重力加速度.大学物理实验():.佘枭雄黄刚刘熹微等.利用智能手机定量研究亥姆赫兹线圈磁场分布.大学物理实验():.物理常数.北京:科学普及出版社.宋民青张影影何金鸽等.用迈克尔逊干涉仪测液体折射率与温度的关系.青海大学学报(自然科学版)():.辛督强朱民解延雷等.二元无机溶液的折射分析.理化检验(化学分册)():.():().:大 学 物 理 实 验 年