自制测定液体表面张力系数实验装置

唐亚明 葛松华 杨清雷

(青岛科技大学数理学院 山东 青岛 266042)

拉脱法是测量液体表面张力系数的常用方法之一，由于液体表面张力很小，传统的测量仪器有扭秤、焦利氏弹簧秤等；现有国内生产的液体表面张力系数测量仪较多采用硅压阻式力敏传感器进行测量．但这些仪器，液面下降都采用手控旋转，平稳度不够，不匀和微弱抖动在测量中不可避免，容易带来实验误差.

为此，笔者重新设计了液面下降部分，就地取材，自己动手制作了液体表面张力系数实验装置，提高了实验测量的准确度，重复性也好．

1 制作材料和安装调试

材料：压阻式力敏传感器，有机玻璃板(白色)，三氯甲烷(氯仿)，粘黏剂，注射器，打点滴用输液管，开关，导线，电阻，电容，集成放大器，数显表头，电源变压器等电子元件．

自制的液体表面张力系数测试仪如图1所示．

图1 液体表面张力系数测定装置示意图

其中，有机玻璃体容器，通过裁制有机玻璃板，涂抹氯仿粘接而成．容器均匀分割成三部分，其尺寸大小应根据选用注射器的容量定制，原则是注射器抽满一管液体，容器中液面的降低，足以使圆筒形吊环完成拉脱法测量的全过程，即吊环拉伸中液膜足够长，趋近临界位置才破裂，本装置选用200 ml一次性塑料注射器．三部分容器下端钻孔，孔中插入打点滴用输液管，再用粘黏剂密封孔的四周．输液管沿容器边缘，用有机玻璃卡件固定在容器的上端．输液管的另一端与注射器相连接．

图2和图3分别是自制本实验专用控制箱面板图和内部电路框图，就是把原先分散放置的电源、信号放大集成块、数显表头等组件，通过开关和线路构成整体，方便连接，使其构成具有最大值测量功能的数字电压表，易于操作．

图2 实验装置控制箱面板图

图3 控制箱内部电路框图

在测量中，圆筒形吊环通过丝线悬挂在力敏传感器前端弹簧片上，作用在吊环周边上的液体表面张力，随着被拉升液膜状态的改变而发生变化，而这种受力的变化使弹簧片发生相应的形变，“固定”在弹簧片上的压阻式力敏元件阻值大小随之改变，由这种力敏元件构成的桥路就输出不平衡电压，此电压大小反映了吊环的受力变化量．它让我们感知了吊环拉膜过程中受力的变化，并传递输送了出来，实现了非电量到电量的转换，方便了测量．力敏传感器输出的信号电压，通过放大电路处理，经S1开关的切换，送到数显表头．S1置“测量”位，用于力敏传感器定标；S1置“峰值测量”位，用于采集和保持“拉膜”过程中力敏传感器输出信号电压的最大值．

2 仪器操作和实验结果

(1)分别在A,B,C三个容器中倒入待测液体(笔者实验中：A—纯净水；B—浓度10%的氯化钠；C—无水乙醇)．推拉注射器活塞，排尽注射器中气体，最终注射器推至尽头，待用．

(2)拨接力敏传感器到测试仪之间信号线，砝码盘悬挂力敏传感器前端．开启电源，S1置“测量”位．预热5 min，调节测试仪后面的调零旋钮，使初读数为零．然后每加一个砝码(500 mg)，读取一个对应数据(mV)，可求得力敏传感器的转换系数K(N/mV)．

(3)测定筒形吊环的内外直径，清洗后悬挂力敏传感器前端，仔细调节吊环的悬挂线，使吊环水平，然后把吊环部分浸入液体中，S1置“峰值测量”位，这时缓慢抽拉注射器，液面非常平稳地下降(相对而言，即吊环往上提拉)，观察环浸入液体中及从液体中拉起时的物理过程和现象．当吊环拉断液柱的一瞬间数显表头显示拉力峰值U1并自动保持该数据．拉断后，再将S1置“测量”位，数显表头恢复随机测量功能，静止后其读数值为U2，记下这个数值．连续做5次，求平均值．那么表面张力为

表面张力系数为

(4)表1记录了对力敏传感器定标所得数据，表2记录了拉脱法测纯净水的数据．用卡尺测吊环的内、外直径D内和D外．

表1 力敏传感器定标所得数据

砝码质量m/mg2 500.003 000.003 500.00输出电压U/mV98.7118.8141.2

转换系数为K=2.465×10-4N/mV.

表2 拉脱法测纯净水的数据 室温T=26.5 ℃

D内=32.90 mmD外=35.02 mm

实验结果与同温度下纯净水表面张力系数的公认值相符，误差在3%左右．同样的方法测出10%的氯化钠和无水乙醇的表面张力系数．这样做实验可以加深学生对不同物质、不同浓度液体的表面张力系数物理概念和知识点的建立和理解．

3 结 论

(1)本液体表面张力系数实验装置结构简单、特点鲜明、取材方便、造价低廉．

(2)由于采用注射器抽送传输液体，使得拉脱过程液面升降平稳，比较常用的焦利氏秤、扭秤等手控旋转升降液面，其可能引起的微弱抖动被最大限度克服了，更容易使拉升的液膜在趋近接触角为零时破裂，得到准确的实验数据，且实验重复性好．

(3)学生通过购置材料、安装调试和实验测量全过程，明显感到很开心．一则是课程知识点的串联和应用，自制装置实用性的体现，使得学生对实验课效果的认可，且更加自信；二则是为学校增添了物理实验仪器装置，节省了购置资金．这样的实验活动，更加坚定了笔者一直以来探索大学物理实验教学知识性、趣味性和应用性相结合教学改革实践的信心．

参考文献

1 焦丽凤，陆申龙．用力敏传感器测量液体表面张力系数．物理实验，2002，22(7)

2 胡亚范，姚爱巧．用力敏传感器测量液体表面张力系数．物理与工程，2005，15(6)

3 葛松华，等编. 大学物理基础实验. 北京:化学工业出版社, 2008

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5 香茹．用敏传感器测液体表面张力系数的实验研究．科技创新导报，2009(5)：4

6 代伟．对FD-NST-I型液体表面张力系数测量仪的改进．物理实验，2011，31(10)

7 夏思淝，刘东红，孙建刚,等．用力敏传感器测液体表面张力系数的误差分析．物理实验，2003，23(7)

8 张连芳，傅敏学，柯伟平．液体表面张力的动态测量过程研究．物理与工程，2010，20(1)