自制測定液體表面張力系數(shù)實驗裝置

唐亞明 葛松華 楊清雷

(青島科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院 山東 青島 266042)

拉脫法是測量液體表面張力系數(shù)的常用方法之一，由于液體表面張力很小，傳統(tǒng)的測量儀器有扭秤、焦利氏彈簧秤等；現(xiàn)有國內(nèi)生產(chǎn)的液體表面張力系數(shù)測量儀較多采用硅壓阻式力敏傳感器進(jìn)行測量．但這些儀器，液面下降都采用手控旋轉(zhuǎn)，平穩(wěn)度不夠，不勻和微弱抖動在測量中不可避免，容易帶來實驗誤差.

為此，筆者重新設(shè)計了液面下降部分，就地取材，自己動手制作了液體表面張力系數(shù)實驗裝置，提高了實驗測量的準(zhǔn)確度，重復(fù)性也好．

1 制作材料和安裝調(diào)試

材料：壓阻式力敏傳感器，有機(jī)玻璃板(白色)，三氯甲烷(氯仿)，粘黏劑，注射器，打點滴用輸液管，開關(guān)，導(dǎo)線，電阻，電容，集成放大器，數(shù)顯表頭，電源變壓器等電子元件．

自制的液體表面張力系數(shù)測試儀如圖1所示．

圖1 液體表面張力系數(shù)測定裝置示意圖

其中，有機(jī)玻璃體容器，通過裁制有機(jī)玻璃板，涂抹氯仿粘接而成．容器均勻分割成三部分，其尺寸大小應(yīng)根據(jù)選用注射器的容量定制，原則是注射器抽滿一管液體，容器中液面的降低，足以使圓筒形吊環(huán)完成拉脫法測量的全過程，即吊環(huán)拉伸中液膜足夠長，趨近臨界位置才破裂，本裝置選用200 ml一次性塑料注射器．三部分容器下端鉆孔，孔中插入打點滴用輸液管，再用粘黏劑密封孔的四周．輸液管沿容器邊緣，用有機(jī)玻璃卡件固定在容器的上端．輸液管的另一端與注射器相連接．

圖2和圖3分別是自制本實驗專用控制箱面板圖和內(nèi)部電路框圖，就是把原先分散放置的電源、信號放大集成塊、數(shù)顯表頭等組件，通過開關(guān)和線路構(gòu)成整體，方便連接，使其構(gòu)成具有最大值測量功能的數(shù)字電壓表，易于操作．

圖2 實驗裝置控制箱面板圖

圖3 控制箱內(nèi)部電路框圖

在測量中，圓筒形吊環(huán)通過絲線懸掛在力敏傳感器前端彈簧片上，作用在吊環(huán)周邊上的液體表面張力，隨著被拉升液膜狀態(tài)的改變而發(fā)生變化，而這種受力的變化使彈簧片發(fā)生相應(yīng)的形變，“固定”在彈簧片上的壓阻式力敏元件阻值大小隨之改變，由這種力敏元件構(gòu)成的橋路就輸出不平衡電壓，此電壓大小反映了吊環(huán)的受力變化量．它讓我們感知了吊環(huán)拉膜過程中受力的變化，并傳遞輸送了出來，實現(xiàn)了非電量到電量的轉(zhuǎn)換，方便了測量．力敏傳感器輸出的信號電壓，通過放大電路處理，經(jīng)S1開關(guān)的切換，送到數(shù)顯表頭．S1置“測量”位，用于力敏傳感器定標(biāo)；S1置“峰值測量”位，用于采集和保持“拉膜”過程中力敏傳感器輸出信號電壓的最大值．

2 儀器操作和實驗結(jié)果

(1)分別在A,B,C三個容器中倒入待測液體(筆者實驗中：A—純凈水；B—濃度10%的氯化鈉；C—無水乙醇)．推拉注射器活塞，排盡注射器中氣體，最終注射器推至盡頭，待用．

(2)撥接力敏傳感器到測試儀之間信號線，砝碼盤懸掛力敏傳感器前端．開啟電源，S1置“測量”位．預(yù)熱5 min，調(diào)節(jié)測試儀后面的調(diào)零旋鈕，使初讀數(shù)為零．然后每加一個砝碼(500 mg)，讀取一個對應(yīng)數(shù)據(jù)(mV)，可求得力敏傳感器的轉(zhuǎn)換系數(shù)K(N/mV)．

(3)測定筒形吊環(huán)的內(nèi)外直徑，清洗后懸掛力敏傳感器前端，仔細(xì)調(diào)節(jié)吊環(huán)的懸掛線，使吊環(huán)水平，然后把吊環(huán)部分浸入液體中，S1置“峰值測量”位，這時緩慢抽拉注射器，液面非常平穩(wěn)地下降(相對而言，即吊環(huán)往上提拉)，觀察環(huán)浸入液體中及從液體中拉起時的物理過程和現(xiàn)象．當(dāng)?shù)醐h(huán)拉斷液柱的一瞬間數(shù)顯表頭顯示拉力峰值U1并自動保持該數(shù)據(jù)．拉斷后，再將S1置“測量”位，數(shù)顯表頭恢復(fù)隨機(jī)測量功能，靜止后其讀數(shù)值為U2，記下這個數(shù)值．連續(xù)做5次，求平均值．那么表面張力為

表面張力系數(shù)為

(4)表1記錄了對力敏傳感器定標(biāo)所得數(shù)據(jù)，表2記錄了拉脫法測純凈水的數(shù)據(jù)．用卡尺測吊環(huán)的內(nèi)、外直徑D內(nèi)和D外．

表1 力敏傳感器定標(biāo)所得數(shù)據(jù)

砝碼質(zhì)量m/mg2 500.003 000.003 500.00輸出電壓U/mV98.7118.8141.2

轉(zhuǎn)換系數(shù)為K=2.465×10-4N/mV.

表2 拉脫法測純凈水的數(shù)據(jù) 室溫T=26.5 ℃

D內(nèi)=32.90 mmD外=35.02 mm

實驗結(jié)果與同溫度下純凈水表面張力系數(shù)的公認(rèn)值相符，誤差在3%左右．同樣的方法測出10%的氯化鈉和無水乙醇的表面張力系數(shù)．這樣做實驗可以加深學(xué)生對不同物質(zhì)、不同濃度液體的表面張力系數(shù)物理概念和知識點的建立和理解．

3 結(jié) 論

(1)本液體表面張力系數(shù)實驗裝置結(jié)構(gòu)簡單、特點鮮明、取材方便、造價低廉．

(2)由于采用注射器抽送傳輸液體，使得拉脫過程液面升降平穩(wěn)，比較常用的焦利氏秤、扭秤等手控旋轉(zhuǎn)升降液面，其可能引起的微弱抖動被最大限度克服了，更容易使拉升的液膜在趨近接觸角為零時破裂，得到準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)，且實驗重復(fù)性好．

(3)學(xué)生通過購置材料、安裝調(diào)試和實驗測量全過程，明顯感到很開心．一則是課程知識點的串聯(lián)和應(yīng)用，自制裝置實用性的體現(xiàn)，使得學(xué)生對實驗課效果的認(rèn)可，且更加自信；二則是為學(xué)校增添了物理實驗儀器裝置，節(jié)省了購置資金．這樣的實驗活動，更加堅定了筆者一直以來探索大學(xué)物理實驗教學(xué)知識性、趣味性和應(yīng)用性相結(jié)合教學(xué)改革實踐的信心．

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