拉脱法测量液体表面张力系数实验的研究与设备改进

罗 泽，梁开明，张宏林，黄 森，李欢欢，2，彭川黔，2，龚恒翔，2

（1.重庆理工大学 理学院，重庆 400054；2.重庆理工大学 光伏新能源应用技术与设备研究所，重庆 400054）

0 引 言

生活中许多涉及液体的物理现象都与液体表面张力有关，而很多实验中也会用到液体表面张力系数，故液体表面张力系数的测定具有重要的物理意义。测量液体表面张力系数的方法有拉脱法、毛细管法以及最大气泡压力法等，其中拉脱法是最常用的方法之一。拉脱法测量液体表面张力系数实验采用硅压阻式力敏传感器测量力的大小，实验中将硅压阻式力敏传感器固定，吊环悬挂于硅压阻式力敏传感器上，通过升降液面改变液面与吊环之间的距离，拉起环状液膜。在液膜断裂前后，硅压阻式力敏传感器上力的变化量即为环状液膜断裂前液膜腰部内外表面对应的表面张力。目前，在“液体表面张力系数的测定”实验中还存在一些不足。拉脱过程中，拉力先增加到某一极大值再减小到某一值后液膜断裂，断裂前后的拉力突变减小，并稳定到一更小值。这个过程中，对应液体表面张力为液膜断裂前后拉力的变化量。传统系统通过数显表观察力的变化，只能看到液膜断裂前后瞬时拉力的数值，不能看到力随位移变化的曲线，不便于直观理解力的变化过程。由于液膜断裂前后的拉力变化较快，通过即时显示的数显表不易观察断裂前后的拉力变化量。此外，实验教学中学生容易将力极大值与断裂后力稳定值之差作为表面张力的测量值，从而导致测量不准确。

本文对拉脱法测液体表面张力系数的传统装置进行改进，将实验装置与计算机结合，由计算机直接采集和处理数据，提高了实验的可视化和自动化程度，便于学生理解力的变化过程，提高了实验结果的准确性。

1 对实验设备进行改进

利用计算机绘制拉力传感器拉力变化曲线，便于直观反映拉力变化机制。传统的实验装置没有绘制出拉力传感器拉力变化曲线，无法直观表示拉力变化情况，学生容易混淆拉脱前的力与吊环上的最大力；改进后的实验装置利用MATLAB采集拉力传感器拉力并绘制变化曲线，从而直观表示出拉力变化机制，让学生看到力的变化曲线，通过图像让学生直观理解力的变化过程。新系统将原来的数据采集装置更换为计算机自动对采集数据进行处理，可直接得出力敏传感器的灵敏度和液体表面张力系数，且可根据用户需要通过编写程序增加其他功能，使实验更加自动化和多元化。

2 测试结果分析

图1为新系统调试后的结果显示截图。从图1可看出，新系统可以绘制力敏传感器测量出的拉力对应的电压与升降台位移的变化曲线，可以更直观地反映出拉力变化，便于学生理解力的变化过程，且通过信号转换器和计算机程序直接采集数据并处理数据得到力敏传感器的灵敏度和表面张力系数，提高了实验的自动性。

实验测得吊环的外径内径别为3.509 cm、3.316 cm，通过，测得力敏传感器的灵敏度B=5.56 V/N[1]。在改进实验设备后，所测液体表面张力系数为49.63×10-3N/m，与纯水的液体表面张力系数相比，测量值偏小，原因是测量的自来水中有很多杂质[2-3]。表1为改进后测量液体表面张力系数数据表，其中U1为水膜断裂之前瞬间的电压值，U2为水膜断裂后吊环稳定后的电压值，ΔU为U1和U2的差值，f为液体表面张力，α为液体表面张力系数。

图1 设备改进后实验结果显示图

表1 改进后测量液体表面张力系数数据表

3 结 论

本文对拉脱法测液体表面张力系数的传统装置进行改进，将实验装置与计算机结合，由计算机直接采集和处理数据，可以绘制力敏传感器测量出的拉力对应的电压与升降台位移的变化曲线。新系统能直观反映拉力变化，便于学生理解力的变化过程，且通过信号转换器和计算机程序直接采集数据并直接处理得到力敏传感器的灵敏度和表面张力系数，提高了实验的自动性，且实验结果更准确，可视化效果更好。