液体表面张力系数实验装置的改进

李可　王天祎　王金艳　路阳

摘 要：针对FD-NST-I型液体表面张力系数测量仪在实验中存在的定标不准确、吊环水平度不易掌握、升降台行程小且操作中容易使液面发生抖动的不足提出了一系列改进措施。定标过程中用线状砝码依次钩挂代替原有的在托盘中放入片状砝码的方法；在传感器装置盒上安放水平泡；在吊环上安放水平泡来检验吊环是否水平；用虹吸管排水的方法降低容器中的液位来代替升降台，不仅使液位的下降形成显著提高，而且控制虹吸管中液体流动速度可以避免液面抖动。改进后实验测量的精度得到提高。

关键词：表面张力系数 线状砝码 虹吸法排水

中图分类号：O4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（b）-0255-02

拉脱法测量液体表面张力系数是大学物理实验的基本实验之一，目前大多数高等院校都采用上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的FD-NST-I型液体表面张力系数测定仪对液体表面张力系数进行测量。这种仪器具有结构简单，操作方便，测量现象直观等诸多优点。但该仪器仍然存在一些不足。该文对该仪器在实验过程中存在的不足进行了改进，提高了实验测量的精度和效率。

1 实验原理

一个金属环固定在传感器上，将该环浸没于被测液体中，并缓慢的下降液位，使圆环下生成液膜。当圆环从液面拉脱瞬间传感器受到的拉力差值f=π（D1+D2）α，式中D1，D2分别为圆环外径和内径，α为液体表面张力系数。所以液体表面张力系数α=f/[π（D1+D2）]

实验中，液体表面张力可以由下式得到：f=（U1-U2）/B，B为力敏传感器灵敏度，单位为伏/牛。U1，U2分别为即将拉断水柱时数字电压表读数以及拉断时数字电压表的读数[1]。

2 原有实验装置的不足

FD-NST-I型液体表面张力系数测量仪如图1所示[2]。图中1为支架，2为力敏传感器，3为吊环，4为玻璃器皿，5为底座，6为升降螺丝，7为航空插头，8为数字电压表，9为调零旋纽，10为数字电压表。此实验装置存在如下问题。

2.1 定标过程中存在的不足

实验中力敏传感器灵敏度B的测量过程称为定标。

该传感器利用了单晶硅材料的压阻效应并由集成电路技术制成。在图1的装置2中，挂钩处受到的力传给单晶硅，单晶硅在受到力作用后电阻率发生变化，测量电阻可以得到与力的变化成正比的电压信号。

实验发现若装置2不水平，则挂钩处所受力的变化不与电压成正比。

图2是仪器定标过程中用的托盘与片状砝码。实验发现砝码在托盘中摆放的位置不同则电压表读数不同。

2.2 吊环水平度不易辨别

实验中吊环的水平度是通过肉眼来大致判断的，实验误差较大。在拉膜过程中液膜容易从位置高的一侧断裂。文献[1]指出测量时如吊环偏差1°，测量结果引入误差为0.5%；偏差2°引入误差为1.6%。

2.3 升降台行程小，并且手动调节升降台在液面下降过程中容易发生抖动

拉膜过程是通过升降台带动器皿中的液体下降完成的。该仪器的升降台上下可调范围约0.9毫米，行程较小，对于表面张力系数小得液体，此行程无法将液膜拉断。实验中升降台的下降过程由手动完成，手动调节时容易造成液面震动，导致液膜提前断裂，给测量带来误差。

3 实验装置的改进

针对原有实验装置的不足，我们进行了一系列的改进。

（1）针对仪器定标过程中传感器水平度对定标数据的影响，我们在图1中装置2和装置5两个部分都安装了水平泡，通过水平泡来校正传感器的水平度。

（2）将定标所用的片状砝码改为铜丝缠绕而成的螺线圈状的砝码，并且直接将砝码依次悬挂在传感器挂钩上，如图3所示，以避免托盘中放置的砝码其重力偏离挂钩竖直方向而对挂钩处产生的重力矩给测量带来的误差。

（3）在吊环上表面固定一个轻质塑料片，其上可放置水平泡对吊环水平度进行调整。

（4）利用虹吸原理，将手动调节升降台下降液位改为通过虹吸法使液面平稳下降，避免因手动调节造成液面及吊环晃动，减小过失误差。虹吸原理的应用能够使液面的下降范围增大，不再受升降台的限制。这一改进措施使该仪器不仅能够测量表面张力系数小的液体，而且可以将盛有液体的容器放入水浴中，对不同温度下液体的表面张力系数进行测量。

4 仪器改进前后实验数据对比分析

4.1 传感器定标实验

4.1.1 改进前定标数据

在力敏传感器的砝码盘中，依次加入0.5g的砝码，测出相应的电压输出值，实验数据见表1。

用最小二乘法作直线拟合，得到传感器的灵敏度为B=3.35mV·N-1，拟合得到其线性相关系数r=0.999987，北京重力加速度g=9.8015m/s2.

4.1.2 改进后定标数据

在力敏传感器的挂钩上，依次挂上0.5g的砝码，测出相应的电压输出值，实验数据见表2。

用最小二乘法作直线拟合，得到传感器的灵敏度为B=3.17mV·N-1，拟合得到线性相关系数r=0.999996，改进后的实验装置可使测量值的线性相关度提高一个百分点。

4.2 水表面张力系数的测定

4.2.1 改进前仪器的测量结果

用原仪器测量自来水的液体表面张力系数，测量步骤及结果如下。

先将吊环调水平，将纯水倒入玻璃器皿，调节吊环的高低使吊环与纯水液面接触，然后手动调节升降台螺帽使水位缓慢下降，记录吊环在即将拉断液膜时的数字电压表的读数U1和拉断后数字电压表的读数U2。数据记录见表3。

计算得到改进前仪器测量的纯水的表面张力系数为6.76N/m，测量值与文献查询值的百分差为7.2%。

4.2.2 改进后仪器的测量结果

用改进后仪器测量纯水的表面张力系数，测量步骤及结果如下。

先将吊环调水平，将纯水倒入玻璃器皿，调节吊环的高度使吊环与水面接触，然后利用虹吸原理使液面缓慢下降，记录吊环在即将拉断液膜时的数字电压表的读数U1和拉断后数字电压表的读数U2，数据记录见表4。

计算得到改进后仪器测量的纯水的表面张力系数为7.46N/m，测量值与文献查询值的百分差为2.37%。

对比表3和表4的测量数据，可知用改进前的仪器测量的数据波动范围比较大，数据不稳定，存在较大的误差。改进后的仪器测量数据比较稳定，误差较小。

5 结语

利用虹吸原理下降液位具有下降平稳、行程增加并且可以对液体进行不同温度下表面张力系数的测量。改进后的仪器测量精度有所提高，便于普及和推广。

参考文献

[1] 柴丽娜.大学物理实验[M].北京：中国农业出版社，2010.

[2] 复旦天欣科教仪器有限公司.液体表面张力测定仪说明书[Z].2003.

[5] 代伟，徐平川，陈太红，等.液体表面张力系数实验装置的改进[J].大学物理，2011，30（9）：38-44.