楊 武, 杜大威，石曉燕，賈海濤，岳海洋，鄧傳迅，歐海峰

(河南工業(yè)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(shù)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(shù)的實驗儀器配備了專門的數(shù)據采集電腦，而絕大部分的實驗儀器需要人工記錄數(shù)據. 隨著社會的發(fā)展，智能手機已經越來越普及，在一些輕量級的應用環(huán)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(xiàn)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(shù)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(xù)記錄實驗數(shù)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(shù)”實驗進行創(chuàng)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(shù)據能夠通過藍牙傳輸?shù)绞謾C上；并自主開發(fā)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(shù)據的采集，并把采集到的所有實驗數(shù)據在手機屏幕進行繪圖，通過觀察手機屏幕上數(shù)據曲線的變化，能簡單迅速地得到精確的實驗數(shù)據.

1 傳統(tǒng)模式下的液體表面張力系數(shù)測量

采用拉脫法測量液體表面張力系數(shù)的原理簡單、現(xiàn)象直觀，是目前測量液體表面張力系數(shù)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(shù)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(shù)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(huán)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?shù)綔y量儀主機，經過它的放大處理在其儀器的讀數(shù)顯示窗口上顯示出來. 實驗數(shù)據由讀數(shù)窗口讀出[6-7].

圖1 FD-NST-B型液體表面張力系數(shù)測量儀

1.2 實驗原理

將金屬環(huán)固定在硅壓阻力敏傳感器上，使該環(huán)浸沒于液體中，并漸漸拉起圓環(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)

式中,D1和D2分別為圓環(huán)的外徑和內徑，液體表面張力系數(shù)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(shù)字電壓表讀數(shù)以及拉斷時數(shù)字電壓表的讀數(shù).

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

(a)拉斷液柱前

(b)拉斷液柱后圖2 金屬環(huán)在拉斷液柱前后的狀態(tài)

1.3 傳統(tǒng)實驗的缺點分析

在用拉脫法測量液體表面張力系數(shù)實驗中，最關鍵實驗數(shù)據是記錄金屬環(huán)拉斷液柱前的瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)U1和拉斷液柱后的數(shù)字電壓表讀數(shù)U2；在實際的實驗過程中，學生需要一邊觀察金屬環(huán)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(shù)值變化，而金屬環(huán)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(shù)字電壓表的數(shù)據變化也很快，僅依靠人眼睛觀察，很可能會來不及記錄數(shù)據的變化，或者記錄數(shù)據的時刻不夠準確，從而增加了讀取數(shù)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(fā)現(xiàn)其變化規(guī)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(shù)測量

針對傳統(tǒng)實驗模式中記錄數(shù)據的缺點，在智能手機上開發(fā)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(shù)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(shù)的變化，在智能手機端就可以觀察到金屬環(huán)與液面分離瞬間的數(shù)據變化，很方便地讀取到“拉斷液柱”瞬間的實驗數(shù)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(tǒng)中，并進行相關的波特率、數(shù)據位的設置，成功實現(xiàn)了用藍牙信號傳輸該電壓值數(shù)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(xié)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(fā)

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

該軟件可以做到對數(shù)據的接收、圖形顯示及數(shù)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(fā)出相關命令，單片機將實時數(shù)據發(fā)送給手機，記錄實驗數(shù)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(shù)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(shù)據.

2.3 手機實驗軟件的數(shù)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(shù)據(每0.2 s采集1個數(shù)據)，該軟件會將采集到的實驗數(shù)據(電壓值)在屏幕上以點線的形式呈現(xiàn)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(huán)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(shù)據，找到“拉斷液柱”時所對應的數(shù)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(shù)據圖4 手機實驗軟件界面

3 實驗數(shù)據對比

分別用傳統(tǒng)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(shù)進行測量. 實驗中金屬圓環(huán)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(shù)理論值為71.66×10-3N/m.

3.1 傳統(tǒng)實驗模式的測量結果

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

表1 傳統(tǒng)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(shù)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(shù)測量儀和手機實驗軟件記錄實驗數(shù)據，實驗數(shù)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(shù)據，測得的U1和U2數(shù)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(shù)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(tǒng)實驗模式下，測得的數(shù)據變化幅度較大，表面張力系數(shù)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(shù)據變化幅度很小，表面張力系數(shù)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(shù)的優(yōu)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(yōu)點：

1)手機實驗軟件能夠自動記錄金屬環(huán)與液面分離瞬間的電壓表的數(shù)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(shù)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(shù)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(tǒng)的實驗模式相比，用手機實驗軟件測得的數(shù)據更穩(wěn)定，精度更高.

5 結束語

對現(xiàn)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(fā)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(shù)據的采集，并把采集到的數(shù)據在手機屏幕進行繪圖，通過觀察手機屏幕上數(shù)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(shù)據，從而得到精確的實驗數(shù)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.