陳愛霞 劉麗明

(1九江學(xué)院理學(xué)院 江西九江 332005；2九江日報社 江西九江 332000)

拉脫法測量液體表面張力系數(shù)的不足與改進(jìn)

陳愛霞 劉麗明

(1九江學(xué)院理學(xué)院 江西九江 332005；2九江日報社 江西九江 332000)

液體表面張力系數(shù)常用拉脫法進(jìn)行測量，此法雖然操作簡單、方便快捷，但測量中存在的問題和不足之處往往會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。研究表明，對實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器加以改進(jìn)，能夠較明顯地減少拉脫法測量液體表面張力系數(shù)產(chǎn)生的誤差，有效地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

拉脫法，液體表面張力，表面張力系數(shù)

液體表面張力是由于液體表面層內(nèi)液體分子受力不平衡引起的，液體表面層內(nèi)分子受到了一個指向液體內(nèi)部的合引力作用，使得液體表面具有自動收縮的趨勢.因此液體表面就像一張被繃緊了的橡皮膜，使得表面層內(nèi)不同部分之間有張力存在，這種張力就稱為液體表面張力[1].液體表面張力大小跟液體的表面張力系數(shù)以及液面分界線的長度有關(guān)，液體的表面張力系數(shù)是表征液體性質(zhì)的一個重要參數(shù)，跟液體的種類、溫度、純度以及液面上方氣體的成分有關(guān).液體表面張力對建筑、船舶制造、化學(xué)化工、水利等行業(yè)都有較大的影響[2]，所以，準(zhǔn)確的測量液體的表面張力系數(shù)具有重要的意義.

測量液體表面系數(shù)的常用方法有毛細(xì)管法、U型管法、最大氣泡壓力法和拉脫法等[3]，其中拉脫法具有方便快捷，操作簡單的特點(diǎn)，所以目前很多高校實(shí)驗(yàn)室都采用這種方法來測量液體表面張力系數(shù).

1 實(shí)驗(yàn)原理

拉脫法測量液體表面張力系數(shù)所使用的實(shí)驗(yàn)裝置是FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測定儀，這套儀器由硅壓阻力敏傳感器、數(shù)字電壓表、支架、金屬吊環(huán)、片碼等組成[3].

拉脫法測量液體表面張力系數(shù)的方法是：把金屬吊環(huán)固定在力敏傳感器上，升高液面，使金屬吊環(huán)底部完全浸入在液體中，然后緩慢降低液面，使吊環(huán)逐漸從液面拉脫，吊環(huán)拉出液柱破裂瞬間前后力的差值就是液柱的兩個液面表面張力的大小，可表示為：

F=π(D1+D2)α⑴

其中，α為液體的表面張力系數(shù)，D1、D2分別為金屬吊環(huán)的內(nèi)、外徑.

此時，由數(shù)字電壓表讀出的電壓差值為ΔU。關(guān)于硅壓阻力敏傳感器的工作原理，簡單來說就是利用電橋電路把力的大小改變轉(zhuǎn)換成電信號的變化反映出來，即被測試件受力的大小跟與力敏傳感器連接的數(shù)字電壓表的讀數(shù)大小成正比，可表示為：

F=ΔU/K⑵

其中K是力敏傳感器的靈敏度.

由⑴ 式 ⑵ 式可以得出：

α=ΔU/π(D1+D2)K⑶

實(shí)驗(yàn)表明，α的大小與液體的種類、純度、溫度及液體表面接觸的氣體成分有關(guān)[4]，只要上述條件不變，則α應(yīng)為常量。因此，在測量液體的表面張力系數(shù)時，一定要記下測量時的液體溫度、種類及純度.

2 實(shí)驗(yàn)存在的不足

拉脫法相比其他方法操作簡單易行，實(shí)驗(yàn)利用靈敏度較高的力敏傳感器來測量力的大小，相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法已經(jīng)有了很大的進(jìn)步.但是，此法仍存有不足和需要改進(jìn)的地方，主要集中在以下兩點(diǎn)：

2.1 力敏傳感器的靈敏度測量

實(shí)驗(yàn)過程中首先要對力敏傳感器定標(biāo)，即測出力敏傳感器的靈敏度，力敏傳感器的靈敏度測量是否準(zhǔn)確直接影響液體表面張力的大小是否準(zhǔn)確，如何盡量減少靈敏度的測量誤差是個非常重要的問題.通常測量力敏傳感器靈敏度的方法是依次往吊盤里增加片碼的個數(shù)，分別記錄電壓表的數(shù)值，然后用曲線擬合的方式得出曲線斜率也即靈敏度的大小，因片碼質(zhì)量較小，力敏傳感器靈敏度較高，學(xué)生操作不熟練造成的吊盤晃動等人為因素會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生很大的影響.

2.2 吊環(huán)的水平程度

FD-NST-I型液體表面張力測定儀的設(shè)計(jì)是把金屬吊環(huán)浸入待測液體，測量過程中吊環(huán)的水平程度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很大的影響，測量時如果吊環(huán)偏差1°，測量結(jié)果就會引入誤差0.5%，偏差2°，就會引入誤差1.6%[5].偏差越大，引入的誤差百分比將更高.現(xiàn)有儀器中的吊環(huán)是否水平要通過3根細(xì)金屬絲來調(diào)節(jié)，要求學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時要耐心精細(xì).但在調(diào)節(jié)的過程中，學(xué)生僅僅通過目測憑感覺調(diào)節(jié)，這對于男生比較多的理工科學(xué)生來說不但嚴(yán)謹(jǐn)程度不足，而且操作難度較大，實(shí)驗(yàn)很難達(dá)到理想的效果.

3 實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

3.1 力敏傳感器的靈敏度測量改進(jìn)方法

對于力敏傳感器靈敏度的測量，保持不增加實(shí)驗(yàn)成本的原則，采用多次測量，先依次增加片碼個數(shù)，再依次減少片碼個數(shù)的方法平均人為誤差，然后用逐差法求得力敏傳感器的靈敏度，具體測量數(shù)據(jù)如表1所示.

根據(jù)測量數(shù)據(jù)得出Ui的平均值，用逐差法求得ΔU的平均值：

表1 力敏傳感器的靈敏度測量數(shù)據(jù)

3.2 吊環(huán)的水平程度改進(jìn)方法

針對金屬吊環(huán)難以調(diào)節(jié)水平的問題，把金屬吊環(huán)進(jìn)行了改裝.首先把3根金屬細(xì)絲換成3根韌性很好的輕質(zhì)細(xì)線，讓輕質(zhì)細(xì)線上端固定打結(jié)，可以方便的掛在力敏傳感器的吊鉤上，3根輕質(zhì)細(xì)線與金屬環(huán)分別用3個可旋轉(zhuǎn)的螺絲連接[7]，通過調(diào)節(jié)螺絲可以很方便的調(diào)節(jié)細(xì)線的長度.為了力求準(zhǔn)確，在細(xì)線打結(jié)的位置垂出另一根輕質(zhì)細(xì)線，細(xì)線下方可懸掛一個小金屬塊，做成一個吊錘，同學(xué)們可以通過觀察吊錘是否垂直來調(diào)節(jié)細(xì)線的長度，從而達(dá)到使金屬吊環(huán)調(diào)節(jié)水平的目的，又因?yàn)榱γ魝鞲衅饕笏鶞y量的力不能過大，所以小金屬塊在吊環(huán)調(diào)節(jié)水平以后可以摘下來.改進(jìn)后的吊環(huán)如圖1所示：

圖1 改裝后的吊環(huán)

3.3 改進(jìn)前后實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

用原有的金屬吊環(huán)測量純水在25℃時的液體表面張力系數(shù)的數(shù)據(jù)見表2.

表2 原有金屬吊環(huán)測量液體的表面張力系數(shù)數(shù)據(jù)表(水溫25℃)

利用原有吊環(huán)測量出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出純水在25℃時液體的表面張力系數(shù)平均值是74.33×10-3N/m,跟25℃時純水的液體表面張力系數(shù)公認(rèn)值72.00×10-3N/m相比，相對誤差為3.2%.由此數(shù)據(jù)可以看出，沒有經(jīng)過改造的吊環(huán)，容易使液柱提前破裂，因?yàn)橐褐鶝]有得到足夠拉伸，從而造成測出的液體表面張力系數(shù)偏大.

用改進(jìn)后的金屬吊環(huán)測量純水在25℃時的液體表面張力系數(shù)，具體測量數(shù)據(jù)見表3.

表3 改進(jìn)后金屬吊環(huán)測量液體的表面張力系數(shù)數(shù)據(jù)表(水溫25℃)

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，計(jì)算得出用改進(jìn)后吊環(huán)測出的純水在25℃時液體的表面張力系數(shù)平均值是71.79×10-3N/m,在25℃時純水的液體表面張力系數(shù)公認(rèn)值為72.00 10-3N/m，相對誤差為0.3%.

4 結(jié)論

通過依次增加片碼個數(shù)和依次減少片碼個數(shù)的方法，多次測量以后平均了人為誤差，再利用逐差法比較準(zhǔn)確的對力敏傳感器進(jìn)行定標(biāo)，為后續(xù)較精確的測量液體表面張力系數(shù)奠定了基礎(chǔ).通過對金屬吊環(huán)的改進(jìn)，可以很容易的把金屬吊環(huán)調(diào)節(jié)至理想水平，測量精度比使用原來的儀器時也提高了很多，并且因?yàn)楦倪M(jìn)后的儀器操作更加簡單，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情也得到了大大的提高.

[1]王殿元，魏健寧，余劍敏. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(上冊)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.149.

[2]李艷琴.基于力敏傳感器測量液體表面張力系數(shù)及其表面張力再認(rèn)識[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29(8)：18.

[3]龍臥云，李晶.FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測定儀的改進(jìn)[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2013，116(2)：40.

[4]代偉，徐平川，陳太紅，等.液體表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)[J].大學(xué)物理，2011,30(9)：38.

[5]上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司.FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測定儀說明書[M].上海：上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司，2006.

[6]韓敬偉，馬國利.液體表面張力系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)的一種改進(jìn)方案[J].濱州學(xué)院學(xué)報，2010，26(6)：105.

(責(zé)任編輯李佳瑜)

2014-9-11

陳愛霞，1066285328@qq.com。

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1674-9545(2014)04-0052-(03)