段曉麗

（太原工業(yè)學院理學系，山西太原030008）

液體表面總是處于一種繃緊的狀態(tài)，這是由于液面各部分之間存在著相互拉緊的力，這種力就是表面張力，表征表面張力的一個重要參數(shù)是表面張力系數(shù)，它的大小由液體的種類及溫度決定，不同溶質(zhì)的溶液其表面張力系數(shù)亦不盡相同。測定液體的表面張力系數(shù)也是大學物理實驗中一個重要的基本力學實驗，本文測定了不同蔗糖溶液在不同濃度下對表面張力系數(shù)的影響。

1 測量原理

測量表面張力系數(shù)的方法有拉脫法、毛細管法、最大氣泡壓力法、光纖干涉法、激光衍射法等[1-3]，本實驗中采用拉脫法[4]。實驗儀器為FD-NST-1表面張力系數(shù)測定儀,其拉力與輸出電壓關(guān)系為F=U/B,B為傳感器靈敏度。

一個金屬環(huán)其內(nèi)、外徑分別為D1和D2，將其固定在硅壓阻力敏傳感器上，并垂直浸沒于液體中，通過旋轉(zhuǎn)螺絲升降平臺，降低平臺時，圓環(huán)被漸漸拉起，金屬環(huán)和液面之間拉起環(huán)形液膜，忽略被拉起的液膜重力，此時拉力為

F1=m0g+fcosθ，

其中，m0為吊環(huán)質(zhì)量,f為液體表面張力。f=π(D1+D2)α,α為表面張力系數(shù),θ為表面張力與豎直方向的夾角，稱為濕潤角。

當液膜即將被拉脫時，θ≈0傳感器受到的拉力為

F1=m0g+f，

液膜被拉脫后拉力為

F2=m0g，

故表面張力系數(shù)為

2 數(shù)據(jù)測量和處理

2.1 硅壓力敏傳感器定標

為了減小人為誤差，對于力敏傳感器的靈敏度的測量采用先依次增加砝碼片個數(shù)，測出相應電壓用U+表示，再依次減小砝碼片個數(shù),測出相應電壓用U-表示,然后再將電壓取平均值[5]。測量數(shù)據(jù)如下,太原地區(qū)的重力加速度為9.7970 m/s2。由圖1得傳感器的靈敏度為B=2.6792 V/N,線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9999。

表1 硅壓力敏傳感器定標

圖1 硅壓力敏傳感器定標

2.2 不同蔗糖溶液的表面張力系數(shù)測定

本實驗所用吊環(huán)外徑D1=3.496 cm,內(nèi)徑D2=3.310 cm，調(diào)節(jié)上升架，記錄環(huán)在即將拉斷液體時數(shù)字電壓表的讀數(shù)為U1，拉斷時數(shù)字電壓表的讀數(shù)為U2。實驗所選樣品為白糖和紅糖，這兩種蔗糖由于提取的工藝不同而呈現(xiàn)不同的顏色，但都屬于蔗糖類，實驗中分別配置了從1%～8%的濃度的白糖溶液和紅糖溶液，在20℃下分別測量其不同濃度下的表面張力系數(shù)，測量數(shù)據(jù)如表2和表3，做表面張力系數(shù)隨濃度變化的圖如圖2，3。

由測量數(shù)據(jù)及圖像可看出，與純水的表面張力系數(shù)（72.75×10-3N/m）相比，當加了蔗糖后，其表面張力系數(shù)均有所降低。在同一濃度下，白糖溶液的表面張力系數(shù)大于紅糖溶液的表面張力系數(shù)；對于白糖溶液，隨著濃度的增加，表面張力系數(shù)先快速減小，在4%的濃度時表面張力系數(shù)達到最小，之后又有小幅增加；對于紅糖溶液，其表面張力系數(shù)要低于白糖溶液，隨著濃度的增加，表面張力系數(shù)減小，只是在濃度較小時減小的快，濃度較大時減小的慢。

表2 白糖溶液的表面張力系數(shù)

圖2 白糖溶液的表面張力系數(shù)

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與兩種蔗糖的成分有關(guān)，紅糖是將甘蔗切碎碾壓成汁液去除泥土、細菌、纖維等雜質(zhì)，慢火熬制而成，其主要成分蔗糖、維生素、微量元素及氨基酸等，白糖是紅糖經(jīng)洗滌、離心、分蜜、脫光等幾道工序制成的，其主要成分是碳水化合物和鈣，由于兩種糖類的成分不同，使得他們的表面張力系數(shù)不同。

表3 紅糖溶液的表面張力系數(shù)

圖3 紅糖溶液的表面張力系數(shù)

3 結(jié)論

不同種類的雜質(zhì)的表面張力系數(shù)是不同的[6-7]，摻入同類雜質(zhì)如蔗糖，由于不同的制作工藝，得到不同的蔗糖如紅糖和白糖，其成分有差別，這樣的差別也會導致不同的蔗糖溶液的表面張力系數(shù)不同，蔗糖溶液的表面張力系數(shù)比純水的表面張力系數(shù)小，同一濃度下，白糖溶液的表面張力系數(shù)大于紅糖溶液的表面張力系數(shù)，而且隨著濃度的增加，兩種溶液的表面張力系數(shù)的變化趨勢也不盡同。