計(jì)算機(jī)輔助液體表面張力系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

宗倩格 葉偉文 洪佳琪 彭保進(jìn)

摘要：針對(duì)目前液體表面張力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題，利用傳感技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。利用力傳感器測(cè)量對(duì)圓環(huán)的拉力，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)力傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析。改進(jìn)后在計(jì)算機(jī)上可以直觀地呈現(xiàn)出信號(hào)隨時(shí)間變化的曲線，并實(shí)時(shí)地顯示反映液體表面張力變化的圓環(huán)受力情況。結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)改進(jìn)效果直觀明顯，相對(duì)誤差小于2%，有推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：液體表面張力；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；計(jì)算機(jī)技術(shù)；傳感技術(shù)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）08-0095-02

目前，用于實(shí)驗(yàn)室液體表面張力系數(shù)的測(cè)量方法有：（1）傳統(tǒng)拉脫法[1]；（2）基于硅單晶電阻應(yīng)變片與數(shù)字電壓表進(jìn)行測(cè)量的方法[2]第一種方法常用焦利秤、扭秤等，然而這些器件精度較低，穩(wěn)定性不高。第二種方法把力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，在定標(biāo)后，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中讀出液膜斷裂前后瞬間數(shù)字電壓表的示數(shù)。然而這種測(cè)量缺少可視化，且在讀取電壓示數(shù)時(shí)存在較大偶然誤差。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)效果只能給學(xué)生粗糙的感覺(jué)，不利于學(xué)生對(duì)液體表面張力概念的理解。我們利用傳感技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置，不僅克服上述不足，而且可以實(shí)時(shí)并清晰地向?qū)W生展示整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及其結(jié)果。

一、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。利用力傳感器測(cè)量對(duì)圓環(huán)的拉力，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)力傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程為：將力敏傳感器以及金屬圓環(huán)位置固定，金屬圓環(huán)吊掛在力敏傳感器上，并浸于有待測(cè)液體的樣品池中。緩緩降低樣品池的高度（效果相當(dāng)于緩緩提起金屬圓環(huán)），圓環(huán)就會(huì)拉出一層與液體相連的液膜。由于表面張力的作用，圓環(huán)所受向上的拉力會(huì)逐漸增大至最大值F，當(dāng)超過(guò)此值時(shí)，液膜立即破裂。而力敏傳感器可以實(shí)時(shí)探測(cè)到液體表面張力的這一變化過(guò)程。將力敏傳感器探測(cè)到的力信號(hào)經(jīng)放大電路的處理變?yōu)殡娦盘?hào)，由采集卡采集到計(jì)算機(jī)中，再由相應(yīng)的VB程序或其他方式實(shí)時(shí)讀取并描繪出液體表面張力大小的圖像。制成的實(shí)驗(yàn)裝置操作簡(jiǎn)單，效果清晰直觀，實(shí)用性強(qiáng)。裝置避免移動(dòng)圓環(huán)而造成液膜提前破裂的情況。移動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置中力敏傳感器以及金屬圓環(huán)位置固定不動(dòng)，對(duì)樣品池的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)。先調(diào)節(jié)樣品池的高度使金屬圓環(huán)完全浸入液體中，再緩慢降低樣品池的高度，效果相當(dāng)于緩緩提起金屬圓環(huán)。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析

（一）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)液體為水且環(huán)境溫度為18℃時(shí)，計(jì)算機(jī)顯示的力敏傳感器隨時(shí)間變化的受力情況如圖2所示。觀察圖中所示受力變化情況，可知與理論分析結(jié)果一致。用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表1所示。代入式（1），可計(jì)算出液體表面張力系數(shù)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置既可以非常直觀地看到整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中力敏傳感器的受力情況，又能準(zhǔn)確地計(jì)算出所求的液體表面張力系數(shù)的大小。

（二）實(shí)驗(yàn)誤差分析

為了對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，用傳統(tǒng)的液體表面張力系數(shù)測(cè)定演示儀測(cè)得一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。經(jīng)查表知：水在18℃時(shí)，與空氣接觸的水的表面張力系數(shù)為0.073N/m。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)儀測(cè)得的水表面張力系數(shù)α的平均值為0.072N/m，與理論值的誤差為1.37%；傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀測(cè)得的α平均值為0.0615N/m，誤差為15.8%。可看出，改進(jìn)后的表面張力實(shí)驗(yàn)儀不僅可視化效果好，而且實(shí)驗(yàn)精確度高。

三、結(jié)束語(yǔ)

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確度高，穩(wěn)定性好，可視化效果強(qiáng)，不僅解決了力學(xué)實(shí)驗(yàn)不直觀、技術(shù)含量低的問(wèn)題，而且通過(guò)變化的曲線可以讓學(xué)生更直接深切地理解表面張力的意義。本實(shí)驗(yàn)仍忽略了金屬圓環(huán)的浮力和水膜的重力所帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差[3]，后續(xù)中也可根據(jù)需要在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中加入。本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)借助自主編寫VB程序，成功地展現(xiàn)了液體表面張力測(cè)定實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置并沒(méi)有讓計(jì)算機(jī)“包辦”所有的事情。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，仍然保留了真正提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ牟僮鳎蟠筇岣邔W(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣[4-5]。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)效果直觀明顯，相對(duì)誤差小于2%，有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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