吳學(xué)兵,蔡 彥,楊海燕

(昭通學(xué)院 物理與信息工程學(xué)院,云南 昭通 657000)

液體性質(zhì)的研究中,液體的表面張力系數(shù)是一個重要參數(shù),跟液體的種類、溫度、雜質(zhì)含量有關(guān)[1,2]。目前液體表面張力系數(shù)在眾多行業(yè)中都有所拓展應(yīng)用,在物理學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域具有重要意義。本文基于拉脫法[3,4]探究不同泥沙含量、溫度條件下河水表面張力系數(shù)[5],對研究自然現(xiàn)象有一定意義,本實(shí)驗(yàn)可作為物理實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充,激發(fā)學(xué)生好奇心和探索欲。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)所用到的實(shí)驗(yàn)儀器有:FD-NST-1型液體的表面張力系數(shù)測定儀(上海復(fù)旦天欣教儀有限公司);DM-T數(shù)字溫度計和加熱器。其中FD-NST-1型液體的表面張力系數(shù)測定儀主要結(jié)構(gòu)是:底座(調(diào)節(jié)螺絲);立柱;橫梁;力敏傳感器;數(shù)字式亳伏表;有機(jī)玻璃器皿;標(biāo)準(zhǔn)砝碼(砝碼盤);圓筒形吊環(huán),實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

將清潔吊環(huán)浸入液體中,然后緩慢提起直至擺脫液面,過程中吊環(huán)將會帶起一層液膜。圖2為吊環(huán)提起過程受力情況,有平衡方程

F-mg-m0g-f1cosθ-f2cosθ=0 ,

(1)

式中:F為拉起液膜破裂時的拉力;m為吊環(huán)質(zhì)量;m0為附著在吊環(huán)上的液體質(zhì)量;f為內(nèi)、外表面液體的張力;θ為濕潤角。

圖2 吊環(huán)受力圖

因液膜拉斷瞬間θ=0,表面張力f均垂直向下;且吊環(huán)很薄,被拉起的液膜也很薄,m0很小可以忽略。液膜拉斷瞬間前后吊環(huán)受力平衡方程為

F1-ng-f1-f2=0 ,

(2)

F2-mg=0 ,

(3)

式中:F1、F2為液膜拉斷前后瞬間吊環(huán)所受拉力。

根據(jù)液體表面張力的大小與接觸面周邊界長度成正比,則有:

f1+f2=απ(D1+D2) ,

(4)

式中:D1、D2分別為吊環(huán)的內(nèi)外直徑;α為液體的表面張力系數(shù)。

由于微小力F不方便直接測量,因此使用力敏傳感器[6,7]通過數(shù)學(xué)關(guān)系轉(zhuǎn)換為電壓值,從而實(shí)現(xiàn)對非電學(xué)量的間接測量,完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。輸出電壓與拉力成正比,即

U=BF ,

(5)

式中:U為輸出電壓;F為力敏傳感器所受拉力;B為力敏傳感器的靈敏度。

聯(lián)立(1)～(5)式可有:

(6)

式中:U1、U2液膜拉斷前后瞬間力敏傳感器輸出的電壓值。

2 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

本文運(yùn)用云南山泉礦泉水配置模擬河水,通過控制變量法[8]改變河水泥沙含量、溫度,測量河水在澄清和懸濁兩種狀態(tài)下的表面張力系數(shù),探究不同泥沙含量、溫度對河水表面張力系數(shù)的影響,對比分析在澄清和懸濁狀態(tài)下河水表面張力系數(shù)的變化情況。用游標(biāo)卡尺測量金屬圓環(huán):外徑D1=34.80mm,內(nèi)徑D2=33.22mm,昭通地區(qū)重力加速度(g=9.792m/s2),測量結(jié)果如下:

表1 力敏傳感器定標(biāo)

由表1得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可作力敏傳感器定標(biāo)擬合圖,如圖3所示。

m/g

表2 不同泥沙含量澄清河水表面張力系數(shù)(12±0.2) ℃

由表2得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可作下不同泥沙含量澄清狀態(tài)河水表面張力系數(shù)變化趨勢圖,如圖4所示。

m(g/100 mL)

表3 不同泥沙含量懸濁河水表面張力系數(shù)(12±0.2) ℃

由表3得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可作12 ℃下不同泥沙含量懸濁狀態(tài)河水表面張力系數(shù)變化趨勢圖,如圖4所示。

表4 在泥沙含量為5(g·100 mL-1)下不同溫度澄清河水表面張力系數(shù)

由表4得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可作在泥沙含量為5(g·100 mL-1)下不同溫度澄清河水表面張力系數(shù)變化趨勢圖,如圖5所示。

t/℃

表5 在泥沙含量為5(g·100 mL-1)下不同溫度懸濁河水表面張力系數(shù)

由表5得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可作在泥沙含量為5(g·100 mL-1)下不同溫度懸濁河水表面張力系數(shù)變化趨勢圖,如圖6所示。

將測得力敏傳感器定標(biāo)數(shù)據(jù)使用Origin軟件[9,10]進(jìn)行擬合,擬合直線如圖3所示,可得力敏傳感器靈敏度B=3.186V/N。

t/℃(a)

t/℃(b)

由于云南山泉礦泉水和純凈水存在一定差異,實(shí)驗(yàn)測得(120.2)時礦泉水的表面張力系數(shù)測量值為72.88mN/m,查表得出理論值為73.93mN/m,測量相對誤差為1.42%,說明該儀器的測試誤差較小以及該實(shí)驗(yàn)原理的可行。從圖4可以看出,在溫度一定下,由于泥沙中含有的一定量無機(jī)鹽溶于水,形成水合陰、陽離子,二者帶相反電荷,增加相互吸引力從而增大表面張力,并且在吊環(huán)上升過程中水面含泥沙量降低,因此在0～1.5(g·100 mL-1)微小范圍內(nèi)河水表面張力系數(shù)隨著泥沙含量增加而增大;但泥沙增多會顯著使河水表面張力系數(shù)越來越小,泥沙加得越多對表面張力系數(shù)的影響越大,因此在1.540(g·100 mL-1)大范圍內(nèi)河水表面張力系數(shù)隨著泥沙含量增加而減小,此實(shí)驗(yàn)結(jié)論與已報道文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論基本吻合[11,12];并且從圖4還可以看出增加的泥沙量如果按倍數(shù)加入,加入泥沙的倍數(shù)和表面張力系數(shù)減小的量大致上呈線性關(guān)系。從圖5～圖6可以看出,在泥沙含量一定下,河水的表面張力系數(shù)隨著溫度的升高而逐漸降低,進(jìn)行擬合后基本呈現(xiàn)線性關(guān)系,此實(shí)驗(yàn)結(jié)論與已報道文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論基本吻合[13]。從圖4～圖5可以看出,河水在懸濁狀態(tài)下的表面張力系數(shù)變化整體上大于澄清狀態(tài)下的表面張力系數(shù)。通過實(shí)測、計算、作圖并進(jìn)行擬合,結(jié)果表明泥沙含量、溫度對河水表面張力系數(shù)影響較大。

3 結(jié) 論

本文從物理實(shí)驗(yàn)《拉脫法測液體表面張力》出發(fā),探究不同泥沙含量、溫度對河水表面張力系數(shù)的影響,并對澄清和懸濁狀態(tài)下河水表面張力系數(shù)的變化情況進(jìn)行具體對比分析。雖然在具體實(shí)驗(yàn)過程中受儀器老化、控溫精度不夠、電壓顯示滯后等因素影響,測得數(shù)據(jù)存在一定偏差,但是整體變化情況與理論相符合。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可供相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)課程參考。