液體表面張力系數(shù)實驗儀的設計與測量原理

趙婷婷

（太原工業(yè)學院理學系，山西太原030008）

生活中很多物理現(xiàn)象和液體的表面張力有關，例如雨后草上的小水珠，昆蟲在水面行走等。由于液體分子與分子之間的相互作用，使液體表面形成一層張緊的膜，其上作用著張力，叫做表面張力，實質上是分子間相互作用的宏觀表現(xiàn)，是液體的重要性質之一，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，其應用廣泛存在。測量液體表面張力系數(shù)是普通物理實驗的基本項目之一[1-3]，是研究液體表面性質所要用到的物理量，不同種類的液體，張力系數(shù)α值不同，同一液體溫度不同，α值也不同。因此，在測量α值時，必須注明在什么溫度下進行的。測量方法一般有拉脫法、液滴法、毛細管法和最大泡壓法等。

目前，高校開展的液體表面張力系數(shù)測定的實驗，大部分采用的是上海復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。該儀器有很多優(yōu)點，但是在實驗過程中仍然存在一些不足[4-8]，從而影響測量結果的準確性。本文設計了測量液體表面張力系數(shù)的實驗裝置，該裝置利用電子天平測量液體表面張力系數(shù)的原理，并且彌補了上海復旦天欣科教儀器的不足。

1 液體表面張力系數(shù)實驗儀的設計

液體表面張力系數(shù)測定儀，如圖1所示,包括電子天平，三線調(diào)節(jié)吊環(huán)，升降調(diào)節(jié)手輪，固定架，玻璃器皿和防風罩。圖2為液體表面張力系數(shù)測量儀的吊盤的俯視圖。圖3為水平檢測裝置。

圖1 液體表面張力系數(shù)測定儀簡圖

圖2 吊環(huán)俯視圖

圖3 水平檢測裝置

電子分析天平用來測量液體表面張力值的大小，其操作方便，稱量準確。在使用FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測定儀進行實驗時，首先是要對硅壓力敏傳感器進行定標，方法是將不同質量的砝碼放到砝碼盤上，測量出砝碼質量與輸出電壓之間的關系。但在具體實驗過程中發(fā)現(xiàn)，若要使掛鉤處所受力的變化與電壓成正比，其前提是砝碼盤必須保持水平，而吊環(huán)的水平度是通過調(diào)節(jié)3根金屬絲來實現(xiàn)的，用肉眼判斷水平度是有偏差的；當學生將砝碼擺放在砝碼盤的不同位置時，力敏傳感器的電壓值讀數(shù)也是不同的，這些都對定標過程產(chǎn)生影響。本文描述的裝置則省去了定標過程。

液體容器是玻璃器皿，用來盛放待測液體，其容器壁上有溫度計，可以顯示液體的實際溫度。

吊盤和吊環(huán)。吊盤在上，吊環(huán)在下，二者由3條無伸長柔軟細繩聯(lián)結而成，吊盤和吊環(huán)的系繩點構成等邊三角形。吊盤每個系繩點有對應的絞線軸和第一鎖緊螺栓控制，通過絞線軸可調(diào)節(jié)相應的繩長，從而調(diào)節(jié)下端吊環(huán)的水平度，調(diào)節(jié)好繩長后，用第一鎖緊螺栓鎖緊。下方吊環(huán)的上表面放置一個輕質塑料等邊三角形薄板，在薄板中央放置有水準儀，用來檢驗吊環(huán)的水平度。此設計改進了FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測定儀吊環(huán)水平只能通過實驗人員用肉眼來大致判斷的問題。

固定架上安裝一個利用螺紋咬合轉動的升降調(diào)節(jié)手輪，帶動吊環(huán)進行上下移動，從而使吊環(huán)的升降控制精確，拉膜過程穩(wěn)定。

在電子天平和液體槽外加上一個透明塑料罩，避免液體和吊環(huán)因為外界影響而發(fā)生震動，造成的測量結果不準確。

2 利用液體表面張力系數(shù)實驗儀測量的原理及方法

利用本儀器測量液體表面張力系數(shù)時，按下列步驟進行：

1)用游標卡尺測量金屬吊環(huán)外徑D1和內(nèi)徑D2，將吊環(huán)用NaOH溶液洗干凈。首先將液體容器放置在電子天平上，在將待測液體放入容器內(nèi)。為保證吊環(huán)和液面不受外界影響，把透明罩放置好，避免造成測量結果不準確的問題。

2)吊環(huán)調(diào)平：通過調(diào)節(jié)吊繩的長度，對吊環(huán)的水平度進行調(diào)節(jié)。具體可以通過轉動調(diào)節(jié)桿釋放繩子長度，或者收回繩子的長度，使得三根吊繩的長短一致。為檢測吊環(huán)的水平度，可以在吊環(huán)上放置水平儀，觀察水平儀中的小氣泡，若小氣泡位于水平儀的中央位置，說明吊環(huán)已經(jīng)調(diào)整好，之后將第一鎖緊螺栓鎖緊。

3)測量：順時針轉動調(diào)節(jié)旋鈕，使吊環(huán)完全浸沒在待測液體中。

4)當?shù)醐h(huán)浸入液體中并達到穩(wěn)定后，將電子天平讀數(shù)設置為“0”，逆時針轉動調(diào)節(jié)旋鈕，使吊環(huán)平穩(wěn)緩慢上升。當?shù)醐h(huán)上液膜剛拉斷時，讀出電子天平讀數(shù)m值，則待測液體張力大小值為F=mg。

5)按上面的操作方法，進行多次測量，記錄數(shù)據(jù)，并根據(jù)溫度計記錄液體溫度t。

(6)利用計算張力理論公式F=π(D1+D2）α，求解在溫度t時的表面張力系數(shù)α=mg/π(D1+D2）。

3 結語

在測量液體表面張力系數(shù)實驗中，測量張力值是實驗準確性的關鍵，利用FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測定儀測量時發(fā)現(xiàn)，吊環(huán)的水平度和拉膜過程中的震動對實驗結果影響較大，而本文所描述的液體表面張力系數(shù)測定儀，巧妙運用電子天平避開了力敏傳感器定標的問題，運用三線調(diào)節(jié)和水準儀改進了吊環(huán)裝置，使用升降調(diào)節(jié)手輪解決了拉膜過程中震動的問題，增加防風罩防止外界空氣流動的影響，使實驗結果更加準確。