鄒文龍

(蘇州大學光電信息科學與工程學院 江蘇 蘇州 215006)

1 引言

液體表面張力廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、化工、生物領(lǐng)域，精確測定液體表面張力系數(shù)意義重大.測定表面張力系數(shù)常用的方法有吊環(huán)法、吊片法、懸滴法、靜滴法、旋轉(zhuǎn)液滴法、等密度法、最大氣泡壓力法和毛細管上升法等[1～6].在上述的測量方法中，吊環(huán)法是實驗室最常用的方法.目前吊環(huán)法液體表面張力系數(shù)測量儀主要采用焦利秤和FD-NST-Ⅰ型數(shù)顯測量儀.

大學普通物理課程開設(shè)的目標不僅讓學生了解物理原理，還能培養(yǎng)學生的動手能力，養(yǎng)成實事求是的科學習慣.隨著信息科學的日益發(fā)展，大學普通物理實驗教學也應(yīng)與時俱進.運用MATLAB GUI可視化設(shè)計數(shù)據(jù)記錄表格，通過編程進行實驗數(shù)據(jù)處理，將學生從復(fù)雜的計算中解放出來，讓學生更多地了解實驗數(shù)據(jù)處理的依據(jù)與作用，同時鍛煉學生基本的編程能力和邏輯思維.

2 實驗原理

本文采用FD-NST-Ⅰ型數(shù)顯測量儀進行測量，將金屬鋁環(huán)固定在傳感器上，將該環(huán)浸沒于被測液體中，并緩慢拉起圓環(huán)，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)

其中，d1和d2分別為鋁環(huán)的內(nèi)、外徑，α為液體表面張力系數(shù).另外，由數(shù)字電壓表及硅壓阻力敏傳感器得到液體表面張力F為

(2)

其中，K為力敏傳感器靈敏度，單位為V/N,U1為吊環(huán)即將脫開液面前瞬間，數(shù)字電壓表的最大讀數(shù)，U2為脫開液面后數(shù)字電壓表的讀數(shù).故液體表面張力系數(shù)α為

(3)

3 實驗方法

本實驗測定的液體是水，室溫25 ℃，此溫度下水的表面張力系數(shù)理論值

α=72.0×10-3N/m

(1)將傳感器的固定桿安裝在立柱上，要保證測力方向和傳感器彈簧片的平面垂直.

(2)傳感器定標：打開FD-NST-Ⅰ型數(shù)顯測量儀的電源，預(yù)熱10 min；然后托盤掛在傳感器的掛鉤上，此時調(diào)節(jié)數(shù)字電壓表的示數(shù)為零；依次將標準砝碼(0.5 g)放入托盤中，記錄數(shù)字電壓表相應(yīng)的電壓輸出值；然后依次減去砝碼，記錄數(shù)字電壓表相應(yīng)的電壓輸出值.

(3)用游標卡尺測量鋁環(huán)的外徑和內(nèi)徑.

(4)將金屬圓環(huán)吊片洗凈，掛在小鉤上，將該環(huán)浸沒于液體中，并慢慢拉起，測出鋁環(huán)從液面即將脫開前的數(shù)字電壓表的讀數(shù)值U1, 測出鋁環(huán)從液面脫開后瞬間電壓表的讀數(shù)U2，重復(fù)測量6次.

4 軟件設(shè)計與處理

MATLAB圖形用戶界面是指用戶與計算機程序的接觸點或交互方式，是用戶與計算機進行信息交流的界面.本文采用MATLAB GUI可視化編程進行數(shù)據(jù)處理，軟件的界面如圖1所示，界面上包括鋁環(huán)的內(nèi)徑、外徑、定標數(shù)據(jù)和鋁環(huán)脫離液面前后數(shù)據(jù)的輸入框、實驗數(shù)據(jù)處理按鈕.

圖1 GUI編程設(shè)計的軟件界面圖

具體的實驗數(shù)據(jù)處理步驟如下：

(1)將實驗測量的鋁環(huán)的內(nèi)徑d1=3.425 cm，外徑d2=3.481 cm填入相應(yīng)的空格，MATLAB GUI通過句柄獲取鋁環(huán)的內(nèi)外徑的數(shù)據(jù).

(2)將力敏傳感器的定標數(shù)據(jù)填入相應(yīng)的空格內(nèi)，其中砝碼的重力為0.004 9,0.009 8,0.014 7,0.019 6,0.024 5,0.029 4 N，相對應(yīng)的平均電壓4.35,9.05,13.925,18.7,23.7,28.5 mV.通過MATLAB GUI句柄獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，并采用MATLAB最小二乘法擬合直線，擬合結(jié)果如圖2所示，直線斜率為988.19，即力敏傳感器的靈敏度K=988.19 mV/N，截距為-0.577 mV，輸出電壓與砝碼重力之間的相關(guān)系數(shù)r=0.999 7，線性擬合度高.

圖2 MATLAB最小二乘法擬合圖

(3)將測量的鋁環(huán)從液面即將脫開前的數(shù)字電壓表的讀數(shù)值U1=8.6,8.7,8.4,8.5,8.5,8.8 mV和鋁環(huán)從液面脫開后瞬間的電壓表的讀數(shù)U2=-7.3,-7.0,-6.9,-7.4 ,-6.9,-7.2 mV依次填入相應(yīng)的空格，MATLAB GUI通過句柄獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，計算鋁環(huán)脫開液面前后的電壓差.

(4)點擊實驗數(shù)據(jù)處理按鈕，計算出液體表面張力及液體表面張力系數(shù)的平均值，最后將實驗結(jié)果直接顯示在相應(yīng)的空格內(nèi)，即α=73.2×10-3N/m，相對誤差為1.6%.而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法是通過逐差法計算出電壓與砝碼重力之間的關(guān)系，即K=988.09 mV/N，相應(yīng)的實驗結(jié)果α=73.3×10-3N/m，相對誤差為1.8%.而本文采用最小二乘法擬合力敏傳感器的靈敏度使測量更加精確，水的表面張力系數(shù)也更加精確.

5 結(jié)論

本文通過MATLAB GUI軟件設(shè)計，一方面，優(yōu)化了液體表面張力系數(shù)測定的實驗數(shù)據(jù)處理方法，解決了繁瑣的實驗數(shù)據(jù)處理，測量結(jié)果更加精確;另一方面，學生可以充分發(fā)揮主觀能動性，有更多的時間去思考本實驗的物理意義，提高軟件程序閱讀和編碼的能力.

1 代偉，方小兵．大學物理實驗．北京：科學出版社，2010．106～108

2 沈元華，陸申龍．基礎(chǔ)物理實驗．北京：高等教育出版社，2003．116～119

3 李大勇，石德全．基于新方法的液體表面張力快速測定儀的研究．儀器儀表學報，2006，27(1)：61～64

4 于軍勝，唐季安．表(界)面張力測定方法的進展．化學通報，1997，11(1)：11～15

5 尹東霞，馬沛生，夏淑倩．液體表面張力測定方法的研究進展．科技通報，2007，23(3)：424～429

6 焦麗鳳，陸申龍．用力敏傳感器測量液體表面張力系數(shù)．物理實驗，2002，22(7)：40～42