基于智能手机的液体表面张力系数测量

杨 武, 杜大威，石晓燕，贾海涛，岳海洋，邓传迅，欧海峰

(河南工业大学 理学院 物理系,河南 郑州 450001)

在大学物理实验中，许多仪器配有连接电脑的端口，可以与电脑相连接，通过专门的电脑软件采集实验数据[1]. 然而，由于配置额外的电脑会使得购买仪器的成本增加，使得在实际的大学物理实验中，只有极少数的实验仪器配备了专门的数据采集电脑，而绝大部分的实验仪器需要人工记录数据. 随着社会的发展，智能手机已经越来越普及，在一些轻量级的应用环境中，智能手机的便携性、可靠性以及灵活性已经远超台式电脑或笔记本电脑. 因此，如果能以现有的实验仪器为基础平台，将这些仪器进行改装，使其能方便地连接到智能手机，并通过智能手机控制仪器、记录实验数据，将极大地提高实验效率并减小实验误差(特别是需要连续记录实验数据变化的实验项目)，也省去了为仪器专门配备电脑的额外支出.

因此，针对该问题，笔者在已开设的大学物理实验中，选择了“用拉脱法测液体表面张力系数”实验进行创新设计：对已有的液体表面张力测量仪进行了智能化改造——加装额外的蓝牙通讯模块，并利用智能手机的蓝牙功能，使实验仪器测量的数据能够通过蓝牙传输到手机上；并自主开发了专门的手机实验软件对实验仪器进行控制，通过手机完成实验数据的采集，并把采集到的所有实验数据在手机屏幕进行绘图，通过观察手机屏幕上数据曲线的变化，能简单迅速地得到精确的实验数据.

1 传统模式下的液体表面张力系数测量

采用拉脱法测量液体表面张力系数的原理简单、现象直观，是目前测量液体表面张力系数中最常用的方法[2-5].

1.1 实验仪器

本实验采用的仪器为FD-NST-B型液体表面张力系数测量实验仪，如图1所示，由硅压阻力敏传感器(肌张力传感器)、液体表面张力系数测量仪主机以及镊子、砝码组成. 该实验的测量过程为：通过硅压阻力敏传感器(肌张力传感器)将金属环所受到的微弱的液体表面张力转换为电压值信号，该电压信号通过连接线传输到测量仪主机，经过它的放大处理在其仪器的读数显示窗口上显示出来. 实验数据由读数窗口读出[6-7].

图1 FD-NST-B型液体表面张力系数测量仪

1.2 实验原理

将金属环固定在硅压阻力敏传感器上，使该环浸没于液体中，并渐渐拉起圆环，当它从液面拉脱瞬间传感器受到的拉力差值f为

f=π(D1+D2)α.

(1)

式中,D1和D2分别为圆环的外径和内径，液体表面张力系数α为

(2)

液体表面张力为

(3)

式中,B为力敏传感器的灵敏度，U1和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.

在实验中，只需要记录金属环拉断液柱时的前一瞬间数字电压表读数U1和拉断后数字电压表读数U2,代入(3)式就可以算出表面张力系数[8-9]. 金属环在拉断液柱前后的状态如图2所示，在拉断液柱的瞬间，拉力变化较快，电压表读数变化也较快，需认真记录读数的变化.

(a)拉断液柱前

(b)拉断液柱后图2 金属环在拉断液柱前后的状态

1.3 传统实验的缺点分析

在用拉脱法测量液体表面张力系数实验中，最关键实验数据是记录金属环拉断液柱前的瞬间数字电压表读数U1和拉断液柱后的数字电压表读数U2；在实际的实验过程中，学生需要一边观察金属环与液体表面的连接情况，一边又要观察实验仪器上显示面板的数值变化，而金属环与液面是瞬间脱离的，学生需要紧盯显示面板观察记录电压值的变化. 由于“拉断液柱”的过程变化太快，因此导致数字电压表的数据变化也很快，仅依靠人眼睛观察，很可能会来不及记录数据的变化，或者记录数据的时刻不够准确，从而增加了读取数据的偶然因素，导致实验误差过大[10-14]. 此外，在这种模式下，学生对实验过程中表面张力的变化趋势(电压值变化趋势)并没有直观地了解，难以发现其变化规律，也不了解各个阶段拉力的具体变化.

2 基于智能手机的液体表面张力系数测量

针对传统实验模式中记录数据的缺点，在智能手机上开发了专门的实验软件，通过手机的蓝牙连接到实验仪器，将实验所采集到的所有电压表读数实时传送到智能手机上，然后在智能手机上以坐标点的形式描绘出电压表读数的变化，在智能手机端就可以观察到金属环与液面分离瞬间的数据变化，很方便地读取到“拉断液柱”瞬间的实验数据.

2.1 实验仪器改装——增加蓝牙通讯模块

以FD-NST-B液体表面张力测量仪为基础平台，对该仪器的电路进行部分改造，将HC-06蓝牙通讯模块添加到系统中，并进行相关的波特率、数据位的设置，成功实现了用蓝牙信号传输该电压值数据到智能手机.

图3 蓝牙通讯模块

蓝牙通信模块的结构实物图如图3所示，采用HC-06蓝牙通讯模块，支持BlueTooth V2.0蓝牙协议，传输速度在1.8～2.1 M/s范围内.

2.2 基于智能手机的实验软件开发

利用Android Studio软件进行手机应用软件的研发，成功开发出了用于液体表面张力系数测量的安卓手机软件.

该软件可以做到对数据的接收、图形显示及数据可查. 安卓手机通过蓝牙与仪器中的蓝牙芯片进行配对，实验开始时，点击开始按钮，手机向芯片发出相关命令，单片机将实时数据发送给手机，记录实验数据. 实验结束后，操作者可以通过放大图形找到拉断前和拉断后的数据. 此外还可以通过缩放图形，观察实验过程中液体表面张力的整体变化情况，而不仅仅是局限于只记录拉断液面前后的数据.

2.3 手机实验软件的数据采集

在测试过程中，打开手机实验软件，点击开始按钮，手机向实验设备请求采集数据(每0.2 s采集1个数据)，该软件会将采集到的实验数据(电压值)在屏幕上以点线的形式呈现出来，如图4所示. 图4(a)为随时间变化的拉力变化曲线，代表拉力的变化：拉力增加，增加到最大值后再减小，当金属环与液面分断时，拉力有明显的“断崖式”的变化[15]；拖动手机屏幕可以放大数据，找到“拉断液柱”时所对应的数据，如图4(b)所示，即为所要记录的“拉断液柱”时所对应的电压值. 用手指拖动屏幕，可以缩小或放大曲线，方便地观察电压值的整体变化趋势或读取单个点的电压值.

(a) 电压值变化趋势(红色虚线为“拉断液柱”时的位置) (b) 放大后“拉断液柱”时的实验数据图4 手机实验软件界面

3 实验数据对比

分别用传统的实验模式和改进后的实验模式对于纯水的液体表面张力系数进行测量. 实验中金属圆环外径D1=3.500 cm，内径D2=3.302 cm；仪器的灵敏度B=3.110 7×103mV/N，纯水在27 ℃时表面张力系数理论值为71.66×10-3N/m.

3.1 传统实验模式的测量结果

人眼直接观察数字电压表，记录金属环拉断液柱前的瞬间数字电压表读数U1和拉断液柱后数字电压表的读数U2；测得的数据如表1所示.

表1 传统实验模式下(人眼观察)测得的实验结果

由表1可得出水的表面张力系数为(69.6±1.3)×103N/m，Er=2.8%.

3.2 使用手机软件的测量结果

利用改装后的液体表面张力系数测量仪和手机实验软件记录实验数据，实验数据可在手机屏幕实时显示，拖动手机屏幕找到“拉断液柱”时所对应的数据，测得的U1和U2数据如表2所示.

表2 用手机实验软件测得的实验结果

由表2可得出水的表面张力系数为(70.46±0.23)×10-3N/m，Er=1.7%.

由以上2种测量方式的实验结果可得：传统实验模式下，测得的数据变化幅度较大，表面张力系数的范围在67.98×10-3～71.14×10-3N/m之间波动，绝对误差为1.3×10-3N/m，偶然误差较大；而使用手机软件测得的数据变化幅度很小，表面张力系数的范围在只在70.09×10-3～70.84×10-3N/m之间波动，绝对误差为0.23×10-3N/m，偶然误差很小，精确度更高.

4 用手机实验软件测量液体表面张力系数的优点

通过对FD-NST-B液体表面张力测量仪的改装，并利用手机实验软件来完成实验，具有以下优点：

1)手机实验软件能够自动记录金属环与液面分离瞬间的电压表的数据，排除了人为因素的影响，可以不用担心在 “拉断液柱”瞬间由于人眼没有认真观察而导致记录数据不准确，减小了实验的偶然误差.

2)手机实验软件能将实验中所采集到的所有数据以坐标点的形式描绘出电压变化图，在智能手机端可以方便地观察到实验过程中表面张力的变化趋势，使学生能深入了解实验过程中各个阶段拉力的具体变化情况，从而可以更好地理解实验原理和实验过程.

3)与传统的实验模式相比，用手机实验软件测得的数据更稳定，精度更高.

5 结束语

对现有的FD-NST-B液体表面张力测量仪进行智能化改造，将手机蓝牙连接到实验仪器，并自主开发了专门的手机实验软件对实验仪器进行控制，通过手机完成实验数据的采集，并把采集到的数据在手机屏幕进行绘图，通过观察手机屏幕上数据曲线的变化，能简单迅速地得出“拉断液柱”时的瞬间的电压数据，从而得到精确的实验数据. 相比原来实验的模式，该实验改进不但能够有效排除人为因素的影响，提高实验精度，而且能使学生对实验过程中表面张力的变化趋势有更深入的了解.