液體表面張力系數實驗裝置的改進

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測量儀在實驗中存在的定標不準確、吊環水平度不易掌握、升降臺行程小且操作中容易使液面發生抖動的不足提出了一系列改進措施。定標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；在吊環上安放水平泡來檢驗吊環是否水平；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。改進后實驗測量的精度得到提高。

關鍵詞：表面張力系數 線狀砝碼 虹吸法排水

中圖分類號：O4 文獻標識碼：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是大學物理實驗的基本實驗之一，目前大多數高等院校都采用上海復旦天欣科教儀器有限公司生產的FD-NST-I型液體表面張力系數測定儀對液體表面張力系數進行測量。這種儀器具有結構簡單，操作方便，測量現象直觀等諸多優點。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行了改進，提高了實驗測量的精度和效率。

1 實驗原理

一個金屬環固定在傳感器上，將該環浸沒于被測液體中，并緩慢的下降液位，使圓環下生成液膜。當圓環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分別為圓環外徑和內徑，α為液體表面張力系數。所以液體表面張力系數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字電壓表讀數以及拉斷時數字電壓表的讀數[1]。

2 原有實驗裝置的不足

FD-NST-I型液體表面張力系數測量儀如圖1所示[2]。圖中1為支架，2為力敏傳感器，3為吊環，4為玻璃器皿，5為底座，6為升降螺絲，7為航空插頭，8為數字電壓表，9為調零旋紐，10為數字電壓表。此實驗裝置存在如下問題。

2.1 定標過程中存在的不足

實驗中力敏傳感器靈敏度B的測量過程稱為定標。

該傳感器利用了單晶硅材料的壓阻效應并由集成電路技術制成。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。

實驗發現若裝置2不水平，則掛鉤處所受力的變化不與電壓成正比。

圖2是儀器定標過程中用的托盤與片狀砝碼。實驗發現砝碼在托盤中擺放的位置不同則電壓表讀數不同。

2.2 吊環水平度不易辨別

實驗中吊環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斷裂。文獻[1]指出測量時如吊環偏差1°，測量結果引入誤差為0.5%；偏差2°引入誤差為1.6%。

2.3 升降臺行程小，并且手動調節升降臺在液面下降過程中容易發生抖動

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范圍約0.9毫米，行程較小，對于表面張力系數小得液體，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，手動調節時容易造成液面震動，導致液膜提前斷裂，給測量帶來誤差。

3 實驗裝置的改進

針對原有實驗裝置的不足，我們進行了一系列的改進。

（1）針對儀器定標過程中傳感器水平度對定標數據的影響，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生的重力矩給測量帶來的誤差。

（3）在吊環上表面固定一個輕質塑料片，其上可放置水平泡對吊環水平度進行調整。

（4）利用虹吸原理，將手動調節升降臺下降液位改為通過虹吸法使液面平穩下降，避免因手動調節造成液面及吊環晃動，減小過失誤差。虹吸原理的應用能夠使液面的下降范圍增大，不再受升降臺的限制。這一改進措施使該儀器不僅能夠測量表面張力系數小的液體，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進行測量。

4 儀器改進前后實驗數據對比分析

4.1 傳感器定標實驗

4.1.1 改進前定標數據

在力敏傳感器的砝碼盤中，依次加入0.5g的砝碼，測出相應的電壓輸出值，實驗數據見表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系數r=0.999987，北京重力加速度g=9.8015m/s2.

4.1.2 改進后定標數據

在力敏傳感器的掛鉤上，依次掛上0.5g的砝碼，測出相應的電壓輸出值，實驗數據見表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，擬合得到線性相關系數r=0.999996，改進后的實驗裝置可使測量值的線性相關度提高一個百分點。

4.2 水表面張力系數的測定

4.2.1 改進前儀器的測量結果

用原儀器測量自來水的液體表面張力系數，測量步驟及結果如下。

先將吊環調水平，將純水倒入玻璃器皿，調節吊環的高低使吊環與純水液面接觸，然后手動調節升降臺螺帽使水位緩慢下降，記錄吊環在即將拉斷液膜時的數字電壓表的讀數U1和拉斷后數字電壓表的讀數U2。數據記錄見表3。

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

4.2.2 改進后儀器的測量結果

用改進后儀器測量純水的表面張力系數，測量步驟及結果如下。

先將吊環調水平，將純水倒入玻璃器皿，調節吊環的高度使吊環與水面接觸，然后利用虹吸原理使液面緩慢下降，記錄吊環在即將拉斷液膜時的數字電壓表的讀數U1和拉斷后數字電壓表的讀數U2，數據記錄見表4。

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

對比表3和表4的測量數據，可知用改進前的儀器測量的數據波動范圍比較大，數據不穩定，存在較大的誤差。改進后的儀器測量數據比較穩定，誤差較小。

5 結語

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

參考文獻

[1] 柴麗娜.大學物理實驗[M].北京：中國農業出版社，2010.

[2] 復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.液體表面張力系數實驗裝置的改進[J].大學物理，2011，30（9）：38-44.