自制測定液體表面張力系數實驗裝置

唐亞明 葛松華 楊清雷

(青島科技大學數理學院 山東 青島 266042)

拉脫法是測量液體表面張力系數的常用方法之一，由于液體表面張力很小，傳統的測量儀器有扭秤、焦利氏彈簧秤等；現有國內生產的液體表面張力系數測量儀較多采用硅壓阻式力敏傳感器進行測量．但這些儀器，液面下降都采用手控旋轉，平穩度不夠，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實驗裝置，提高了實驗測量的準確度，重復性也好．

1 制作材料和安裝調試

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

自制的液體表面張力系數測試儀如圖1所示．

圖1 液體表面張力系數測定裝置示意圖

其中，有機玻璃體容器，通過裁制有機玻璃板，涂抹氯仿粘接而成．容器均勻分割成三部分，其尺寸大小應根據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，足以使圓筒形吊環完成拉脫法測量的全過程，即吊環拉伸中液膜足夠長，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、數顯表頭等組件，通過開關和線路構成整體，方便連接，使其構成具有最大值測量功能的數字電壓表，易于操作．

圖2 實驗裝置控制箱面板圖

圖3 控制箱內部電路框圖

在測量中，圓筒形吊環通過絲線懸掛在力敏傳感器前端彈簧片上，作用在吊環周邊上的液體表面張力，隨著被拉升液膜狀態的改變而發生變化，而這種受力的變化使彈簧片發生相應的形變，“固定”在彈簧片上的壓阻式力敏元件阻值大小隨之改變，由這種力敏元件構成的橋路就輸出不平衡電壓，此電壓大小反映了吊環的受力變化量．它讓我們感知了吊環拉膜過程中受力的變化，并傳遞輸送了出來，實現了非電量到電量的轉換，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S1開關的切換，送到數顯表頭．S1置“測量”位，用于力敏傳感器定標；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．預熱5 min，調節測試儀后面的調零旋鈕，使初讀數為零．然后每加一個砝碼(500 mg)，讀取一個對應數據(mV)，可求得力敏傳感器的轉換系數K(N/mV)．

(3)測定筒形吊環的內外直徑，清洗后懸掛力敏傳感器前端，仔細調節吊環的懸掛線，使吊環水平，然后把吊環部分浸入液體中，S1置“峰值測量”位，這時緩慢抽拉注射器，液面非常平穩地下降(相對而言，即吊環往上提拉)，觀察環浸入液體中及從液體中拉起時的物理過程和現象．當吊環拉斷液柱的一瞬間數顯表頭顯示拉力峰值U1并自動保持該數據．拉斷后，再將S1置“測量”位，數顯表頭恢復隨機測量功能，靜止后其讀數值為U2，記下這個數值．連續做5次，求平均值．那么表面張力為

表面張力系數為

(4)表1記錄了對力敏傳感器定標所得數據，表2記錄了拉脫法測純凈水的數據．用卡尺測吊環的內、外直徑D內和D外．

表1 力敏傳感器定標所得數據

砝碼質量m/mg2 500.003 000.003 500.00輸出電壓U/mV98.7118.8141.2

轉換系數為K=2.465×10-4N/mV.

表2 拉脫法測純凈水的數據 室溫T=26.5 ℃

D內=32.90 mmD外=35.02 mm

實驗結果與同溫度下純凈水表面張力系數的公認值相符，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．這樣做實驗可以加深學生對不同物質、不同濃度液體的表面張力系數物理概念和知識點的建立和理解．

3 結 論

(1)本液體表面張力系數實驗裝置結構簡單、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，比較常用的焦利氏秤、扭秤等手控旋轉升降液面，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，得到準確的實驗數據，且實驗重復性好．

(3)學生通過購置材料、安裝調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和應用，自制裝置實用性的體現，使得學生對實驗課效果的認可，且更加自信；二則是為學校增添了物理實驗儀器裝置，節省了購置資金．這樣的實驗活動，更加堅定了筆者一直以來探索大學物理實驗教學知識性、趣味性和應用性相結合教學改革實踐的信心．

參考文獻

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