液體表面張力系數(shù)實驗裝置的改進(jìn)

李可　王天祎　王金艷　路陽

摘 要：針對FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測量儀在實驗中存在的定標(biāo)不準(zhǔn)確、吊環(huán)水平度不易掌握、升降臺行程小且操作中容易使液面發(fā)生抖動的不足提出了一系列改進(jìn)措施。定標(biāo)過程中用線狀砝碼依次鉤掛代替原有的在托盤中放入片狀砝碼的方法；在傳感器裝置盒上安放水平泡；在吊環(huán)上安放水平泡來檢驗吊環(huán)是否水平；用虹吸管排水的方法降低容器中的液位來代替升降臺，不僅使液位的下降形成顯著提高，而且控制虹吸管中液體流動速度可以避免液面抖動。改進(jìn)后實驗測量的精度得到提高。

關(guān)鍵詞：表面張力系數(shù) 線狀砝碼 虹吸法排水

中圖分類號：O4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（b）-0255-02

拉脫法測量液體表面張力系數(shù)是大學(xué)物理實驗的基本實驗之一，目前大多數(shù)高等院校都采用上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司生產(chǎn)的FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測定儀對液體表面張力系數(shù)進(jìn)行測量。這種儀器具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，測量現(xiàn)象直觀等諸多優(yōu)點。但該儀器仍然存在一些不足。該文對該儀器在實驗過程中存在的不足進(jìn)行了改進(jìn)，提高了實驗測量的精度和效率。

1 實驗原理

一個金屬環(huán)固定在傳感器上，將該環(huán)浸沒于被測液體中，并緩慢的下降液位，使圓環(huán)下生成液膜。當(dāng)圓環(huán)從液面拉脫瞬間傳感器受到的拉力差值f=π（D1+D2）α，式中D1，D2分別為圓環(huán)外徑和內(nèi)徑，α為液體表面張力系數(shù)。所以液體表面張力系數(shù)α=f/[π（D1+D2）]

實驗中，液體表面張力可以由下式得到：f=（U1-U2）/B，B為力敏傳感器靈敏度，單位為伏/牛。U1，U2分別為即將拉斷水柱時數(shù)字電壓表讀數(shù)以及拉斷時數(shù)字電壓表的讀數(shù)[1]。

2 原有實驗裝置的不足

FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測量儀如圖1所示[2]。圖中1為支架，2為力敏傳感器，3為吊環(huán)，4為玻璃器皿，5為底座，6為升降螺絲，7為航空插頭，8為數(shù)字電壓表，9為調(diào)零旋紐，10為數(shù)字電壓表。此實驗裝置存在如下問題。

2.1 定標(biāo)過程中存在的不足

實驗中力敏傳感器靈敏度B的測量過程稱為定標(biāo)。

該傳感器利用了單晶硅材料的壓阻效應(yīng)并由集成電路技術(shù)制成。在圖1的裝置2中，掛鉤處受到的力傳給單晶硅，單晶硅在受到力作用后電阻率發(fā)生變化，測量電阻可以得到與力的變化成正比的電壓信號。

實驗發(fā)現(xiàn)若裝置2不水平，則掛鉤處所受力的變化不與電壓成正比。

圖2是儀器定標(biāo)過程中用的托盤與片狀砝碼。實驗發(fā)現(xiàn)砝碼在托盤中擺放的位置不同則電壓表讀數(shù)不同。

2.2 吊環(huán)水平度不易辨別

實驗中吊環(huán)的水平度是通過肉眼來大致判斷的，實驗誤差較大。在拉膜過程中液膜容易從位置高的一側(cè)斷裂。文獻(xiàn)[1]指出測量時如吊環(huán)偏差1°，測量結(jié)果引入誤差為0.5%；偏差2°引入誤差為1.6%。

2.3 升降臺行程小，并且手動調(diào)節(jié)升降臺在液面下降過程中容易發(fā)生抖動

拉膜過程是通過升降臺帶動器皿中的液體下降完成的。該儀器的升降臺上下可調(diào)范圍約0.9毫米，行程較小，對于表面張力系數(shù)小得液體，此行程無法將液膜拉斷。實驗中升降臺的下降過程由手動完成，手動調(diào)節(jié)時容易造成液面震動，導(dǎo)致液膜提前斷裂，給測量帶來誤差。

3 實驗裝置的改進(jìn)

針對原有實驗裝置的不足，我們進(jìn)行了一系列的改進(jìn)。

（1）針對儀器定標(biāo)過程中傳感器水平度對定標(biāo)數(shù)據(jù)的影響，我們在圖1中裝置2和裝置5兩個部分都安裝了水平泡，通過水平泡來校正傳感器的水平度。

（2）將定標(biāo)所用的片狀砝碼改為銅絲纏繞而成的螺線圈狀的砝碼，并且直接將砝碼依次懸掛在傳感器掛鉤上，如圖3所示，以避免托盤中放置的砝碼其重力偏離掛鉤豎直方向而對掛鉤處產(chǎn)生的重力矩給測量帶來的誤差。

（3）在吊環(huán)上表面固定一個輕質(zhì)塑料片，其上可放置水平泡對吊環(huán)水平度進(jìn)行調(diào)整。

（4）利用虹吸原理，將手動調(diào)節(jié)升降臺下降液位改為通過虹吸法使液面平穩(wěn)下降，避免因手動調(diào)節(jié)造成液面及吊環(huán)晃動，減小過失誤差。虹吸原理的應(yīng)用能夠使液面的下降范圍增大，不再受升降臺的限制。這一改進(jìn)措施使該儀器不僅能夠測量表面張力系數(shù)小的液體，而且可以將盛有液體的容器放入水浴中，對不同溫度下液體的表面張力系數(shù)進(jìn)行測量。

4 儀器改進(jìn)前后實驗數(shù)據(jù)對比分析

4.1 傳感器定標(biāo)實驗

4.1.1 改進(jìn)前定標(biāo)數(shù)據(jù)

在力敏傳感器的砝碼盤中，依次加入0.5g的砝碼，測出相應(yīng)的電壓輸出值，實驗數(shù)據(jù)見表1。

用最小二乘法作直線擬合，得到傳感器的靈敏度為B=3.35mV·N-1，擬合得到其線性相關(guān)系數(shù)r=0.999987，北京重力加速度g=9.8015m/s2.

4.1.2 改進(jìn)后定標(biāo)數(shù)據(jù)

在力敏傳感器的掛鉤上，依次掛上0.5g的砝碼，測出相應(yīng)的電壓輸出值，實驗數(shù)據(jù)見表2。

用最小二乘法作直線擬合，得到傳感器的靈敏度為B=3.17mV·N-1，擬合得到線性相關(guān)系數(shù)r=0.999996，改進(jìn)后的實驗裝置可使測量值的線性相關(guān)度提高一個百分點。

4.2 水表面張力系數(shù)的測定

4.2.1 改進(jìn)前儀器的測量結(jié)果

用原儀器測量自來水的液體表面張力系數(shù)，測量步驟及結(jié)果如下。

先將吊環(huán)調(diào)水平，將純水倒入玻璃器皿，調(diào)節(jié)吊環(huán)的高低使吊環(huán)與純水液面接觸，然后手動調(diào)節(jié)升降臺螺帽使水位緩慢下降，記錄吊環(huán)在即將拉斷液膜時的數(shù)字電壓表的讀數(shù)U1和拉斷后數(shù)字電壓表的讀數(shù)U2。數(shù)據(jù)記錄見表3。

計算得到改進(jìn)前儀器測量的純水的表面張力系數(shù)為6.76N/m，測量值與文獻(xiàn)查詢值的百分差為7.2%。

4.2.2 改進(jìn)后儀器的測量結(jié)果

用改進(jìn)后儀器測量純水的表面張力系數(shù)，測量步驟及結(jié)果如下。

先將吊環(huán)調(diào)水平，將純水倒入玻璃器皿，調(diào)節(jié)吊環(huán)的高度使吊環(huán)與水面接觸，然后利用虹吸原理使液面緩慢下降，記錄吊環(huán)在即將拉斷液膜時的數(shù)字電壓表的讀數(shù)U1和拉斷后數(shù)字電壓表的讀數(shù)U2，數(shù)據(jù)記錄見表4。

計算得到改進(jìn)后儀器測量的純水的表面張力系數(shù)為7.46N/m，測量值與文獻(xiàn)查詢值的百分差為2.37%。

對比表3和表4的測量數(shù)據(jù)，可知用改進(jìn)前的儀器測量的數(shù)據(jù)波動范圍比較大，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，存在較大的誤差。改進(jìn)后的儀器測量數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，誤差較小。

5 結(jié)語

利用虹吸原理下降液位具有下降平穩(wěn)、行程增加并且可以對液體進(jìn)行不同溫度下表面張力系數(shù)的測量。改進(jìn)后的儀器測量精度有所提高，便于普及和推廣。

參考文獻(xiàn)

[1] 柴麗娜.大學(xué)物理實驗[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2010.

[2] 復(fù)旦天欣科教儀器有限公司.液體表面張力測定儀說明書[Z].2003.

[5] 代偉，徐平川，陳太紅，等.液體表面張力系數(shù)實驗裝置的改進(jìn)[J].大學(xué)物理，2011，30（9）：38-44.