基于智能手機的液體表面張力系數測量

楊 武, 杜大威，石曉燕，賈海濤，岳海洋，鄧傳迅，歐海峰

(河南工業大學 理學院 物理系,河南 鄭州 450001)

在大學物理實驗中，許多儀器配有連接電腦的端口，可以與電腦相連接，通過專門的電腦軟件采集實驗數據[1]. 然而，由于配置額外的電腦會使得購買儀器的成本增加，使得在實際的大學物理實驗中，只有極少數的實驗儀器配備了專門的數據采集電腦，而絕大部分的實驗儀器需要人工記錄數據. 隨著社會的發展，智能手機已經越來越普及，在一些輕量級的應用環境中，智能手機的便攜性、可靠性以及靈活性已經遠超臺式電腦或筆記本電腦. 因此，如果能以現有的實驗儀器為基礎平臺，將這些儀器進行改裝，使其能方便地連接到智能手機，并通過智能手機控制儀器、記錄實驗數據，將極大地提高實驗效率并減小實驗誤差(特別是需要連續記錄實驗數據變化的實驗項目)，也省去了為儀器專門配備電腦的額外支出.

因此，針對該問題，筆者在已開設的大學物理實驗中，選擇了“用拉脫法測液體表面張力系數”實驗進行創新設計：對已有的液體表面張力測量儀進行了智能化改造——加裝額外的藍牙通訊模塊，并利用智能手機的藍牙功能，使實驗儀器測量的數據能夠通過藍牙傳輸到手機上；并自主開發了專門的手機實驗軟件對實驗儀器進行控制，通過手機完成實驗數據的采集，并把采集到的所有實驗數據在手機屏幕進行繪圖，通過觀察手機屏幕上數據曲線的變化，能簡單迅速地得到精確的實驗數據.

1 傳統模式下的液體表面張力系數測量

采用拉脫法測量液體表面張力系數的原理簡單、現象直觀，是目前測量液體表面張力系數中最常用的方法[2-5].

1.1 實驗儀器

本實驗采用的儀器為FD-NST-B型液體表面張力系數測量實驗儀，如圖1所示，由硅壓阻力敏傳感器(肌張力傳感器)、液體表面張力系數測量儀主機以及鑷子、砝碼組成. 該實驗的測量過程為：通過硅壓阻力敏傳感器(肌張力傳感器)將金屬環所受到的微弱的液體表面張力轉換為電壓值信號，該電壓信號通過連接線傳輸到測量儀主機，經過它的放大處理在其儀器的讀數顯示窗口上顯示出來. 實驗數據由讀數窗口讀出[6-7].

圖1 FD-NST-B型液體表面張力系數測量儀

1.2 實驗原理

將金屬環固定在硅壓阻力敏傳感器上，使該環浸沒于液體中，并漸漸拉起圓環，當它從液面拉脫瞬間傳感器受到的拉力差值f為

f=π(D1+D2)α.

(1)

式中,D1和D2分別為圓環的外徑和內徑，液體表面張力系數α為

(2)

液體表面張力為

(3)

式中,B為力敏傳感器的靈敏度，U1和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.

在實驗中，只需要記錄金屬環拉斷液柱時的前一瞬間數字電壓表讀數U1和拉斷后數字電壓表讀數U2,代入(3)式就可以算出表面張力系數[8-9]. 金屬環在拉斷液柱前后的狀態如圖2所示，在拉斷液柱的瞬間，拉力變化較快，電壓表讀數變化也較快，需認真記錄讀數的變化.

(a)拉斷液柱前

(b)拉斷液柱后圖2 金屬環在拉斷液柱前后的狀態

1.3 傳統實驗的缺點分析

在用拉脫法測量液體表面張力系數實驗中，最關鍵實驗數據是記錄金屬環拉斷液柱前的瞬間數字電壓表讀數U1和拉斷液柱后的數字電壓表讀數U2；在實際的實驗過程中，學生需要一邊觀察金屬環與液體表面的連接情況，一邊又要觀察實驗儀器上顯示面板的數值變化，而金屬環與液面是瞬間脫離的，學生需要緊盯顯示面板觀察記錄電壓值的變化. 由于“拉斷液柱”的過程變化太快，因此導致數字電壓表的數據變化也很快，僅依靠人眼睛觀察，很可能會來不及記錄數據的變化，或者記錄數據的時刻不夠準確，從而增加了讀取數據的偶然因素，導致實驗誤差過大[10-14]. 此外，在這種模式下，學生對實驗過程中表面張力的變化趨勢(電壓值變化趨勢)并沒有直觀地了解，難以發現其變化規律，也不了解各個階段拉力的具體變化.

2 基于智能手機的液體表面張力系數測量

針對傳統實驗模式中記錄數據的缺點，在智能手機上開發了專門的實驗軟件，通過手機的藍牙連接到實驗儀器，將實驗所采集到的所有電壓表讀數實時傳送到智能手機上，然后在智能手機上以坐標點的形式描繪出電壓表讀數的變化，在智能手機端就可以觀察到金屬環與液面分離瞬間的數據變化，很方便地讀取到“拉斷液柱”瞬間的實驗數據.

2.1 實驗儀器改裝——增加藍牙通訊模塊

以FD-NST-B液體表面張力測量儀為基礎平臺，對該儀器的電路進行部分改造，將HC-06藍牙通訊模塊添加到系統中，并進行相關的波特率、數據位的設置，成功實現了用藍牙信號傳輸該電壓值數據到智能手機.

圖3 藍牙通訊模塊

藍牙通信模塊的結構實物圖如圖3所示，采用HC-06藍牙通訊模塊，支持BlueTooth V2.0藍牙協議，傳輸速度在1.8～2.1 M/s范圍內.

2.2 基于智能手機的實驗軟件開發

利用Android Studio軟件進行手機應用軟件的研發，成功開發出了用于液體表面張力系數測量的安卓手機軟件.

該軟件可以做到對數據的接收、圖形顯示及數據可查. 安卓手機通過藍牙與儀器中的藍牙芯片進行配對，實驗開始時，點擊開始按鈕，手機向芯片發出相關命令，單片機將實時數據發送給手機，記錄實驗數據. 實驗結束后，操作者可以通過放大圖形找到拉斷前和拉斷后的數據. 此外還可以通過縮放圖形，觀察實驗過程中液體表面張力的整體變化情況，而不僅僅是局限于只記錄拉斷液面前后的數據.

2.3 手機實驗軟件的數據采集

在測試過程中，打開手機實驗軟件，點擊開始按鈕，手機向實驗設備請求采集數據(每0.2 s采集1個數據)，該軟件會將采集到的實驗數據(電壓值)在屏幕上以點線的形式呈現出來，如圖4所示. 圖4(a)為隨時間變化的拉力變化曲線，代表拉力的變化：拉力增加，增加到最大值后再減小，當金屬環與液面分斷時，拉力有明顯的“斷崖式”的變化[15]；拖動手機屏幕可以放大數據，找到“拉斷液柱”時所對應的數據，如圖4(b)所示，即為所要記錄的“拉斷液柱”時所對應的電壓值. 用手指拖動屏幕，可以縮小或放大曲線，方便地觀察電壓值的整體變化趨勢或讀取單個點的電壓值.

(a) 電壓值變化趨勢(紅色虛線為“拉斷液柱”時的位置) (b) 放大后“拉斷液柱”時的實驗數據圖4 手機實驗軟件界面

3 實驗數據對比

分別用傳統的實驗模式和改進后的實驗模式對于純水的液體表面張力系數進行測量. 實驗中金屬圓環外徑D1=3.500 cm，內徑D2=3.302 cm；儀器的靈敏度B=3.110 7×103mV/N，純水在27 ℃時表面張力系數理論值為71.66×10-3N/m.

3.1 傳統實驗模式的測量結果

人眼直接觀察數字電壓表，記錄金屬環拉斷液柱前的瞬間數字電壓表讀數U1和拉斷液柱后數字電壓表的讀數U2；測得的數據如表1所示.

表1 傳統實驗模式下(人眼觀察)測得的實驗結果

由表1可得出水的表面張力系數為(69.6±1.3)×103N/m，Er=2.8%.

3.2 使用手機軟件的測量結果

利用改裝后的液體表面張力系數測量儀和手機實驗軟件記錄實驗數據，實驗數據可在手機屏幕實時顯示，拖動手機屏幕找到“拉斷液柱”時所對應的數據，測得的U1和U2數據如表2所示.

表2 用手機實驗軟件測得的實驗結果

由表2可得出水的表面張力系數為(70.46±0.23)×10-3N/m，Er=1.7%.

由以上2種測量方式的實驗結果可得：傳統實驗模式下，測得的數據變化幅度較大，表面張力系數的范圍在67.98×10-3～71.14×10-3N/m之間波動，絕對誤差為1.3×10-3N/m，偶然誤差較大；而使用手機軟件測得的數據變化幅度很小，表面張力系數的范圍在只在70.09×10-3～70.84×10-3N/m之間波動，絕對誤差為0.23×10-3N/m，偶然誤差很小，精確度更高.

4 用手機實驗軟件測量液體表面張力系數的優點

通過對FD-NST-B液體表面張力測量儀的改裝，并利用手機實驗軟件來完成實驗，具有以下優點：

1)手機實驗軟件能夠自動記錄金屬環與液面分離瞬間的電壓表的數據，排除了人為因素的影響，可以不用擔心在 “拉斷液柱”瞬間由于人眼沒有認真觀察而導致記錄數據不準確，減小了實驗的偶然誤差.

2)手機實驗軟件能將實驗中所采集到的所有數據以坐標點的形式描繪出電壓變化圖，在智能手機端可以方便地觀察到實驗過程中表面張力的變化趨勢，使學生能深入了解實驗過程中各個階段拉力的具體變化情況，從而可以更好地理解實驗原理和實驗過程.

3)與傳統的實驗模式相比，用手機實驗軟件測得的數據更穩定，精度更高.

5 結束語

對現有的FD-NST-B液體表面張力測量儀進行智能化改造，將手機藍牙連接到實驗儀器，并自主開發了專門的手機實驗軟件對實驗儀器進行控制，通過手機完成實驗數據的采集，并把采集到的數據在手機屏幕進行繪圖，通過觀察手機屏幕上數據曲線的變化，能簡單迅速地得出“拉斷液柱”時的瞬間的電壓數據，從而得到精確的實驗數據. 相比原來實驗的模式，該實驗改進不但能夠有效排除人為因素的影響，提高實驗精度，而且能使學生對實驗過程中表面張力的變化趨勢有更深入的了解.