新型液体表面张力系数测量仪的改进

刘硕，付云飞，徐彬

新型液体表面张力系数测量仪的改进

刘硕，付云飞，徐彬

（江汉大学 光电材料与技术学院，湖北 武汉 430056）

讨论了FD-NST-B液体表面张力系数仪存在的不合理之处以及由此带来的问题，根据实验研究和前人的经验，提出了改进方法和新的实验方案．通过改进原有仪器，修正了传统液体表面张力系数测量公式，推导过程考虑液膜重力，分析此条件下相关测量电压值的选取，提高了液体表面张力系数的测量精度．通过实验对比，得出改进后的实验方案更加合理

拉脱法；表面张力系数；受力分析；误差因素

液体表面张力系数是表征液体性质的重要参数，在大学物理实验中常采用拉脱法进行测量[1-2]．最早测量表面张力系数采用扭称和约利称，由于其灵敏度和稳定性较差使得测量的系统误差较大，后改用力敏传感器以提升测量精度．现在国内生产的测量仪多采用硅压阻力敏传感器进行测量，将微小力转化为电信号并以数字电压的形式显示，方便读数．液面的升降通过手动旋转升降台螺帽的方法实现，手动调节容易引起待测液面震动，带来实验误差．FD-NST-B型液体表面张力系数测量实验仪是一种新型测量仪，升降液面采用打气放气装置控制，吊环和液面可以缓慢稳定地拉脱，解决了手动调节引起的误差问题．但是在实验过程中还是存在一些问题：（1）盛放待测液体的玻璃皿依靠浮力升降，在升降过程中容易倾斜翻倒；（2）水容器连接的打气装置容易出现水倒流的现象，造成仪器放气孔堵塞，为此进行了一些简单的改进．

此外，该仪器同传统液体表面张力系数仪一样，在实验设计的过程中都忽略了拉起液膜的重力，这样简单直接地忽略严重影响了实验的精度[2-3]．文献[4]考虑液膜重力问题，并提出了一些改进方法，但多数较为粗糙．本文通过增加水位计改进实验装置，提出一种新型实验方法，对液膜重力的影响进行修正，提高了实验精度．

1 实验原理修正

金属圆环拉出液膜过程受力分析见图1．

图1 金属圆环拉出液膜过程受力分析

由图1可见，在考虑圆环拉起液膜重力前提下，液膜被拉断前竖直方向的受力平衡方程为

此时液膜的厚度趋同于圆环厚度，液膜厚度较大，液膜重力是不能忽略的，液膜的重力近似表达为[4]40

2 原实验装置的不足和改进

2.1 玻璃皿容易倾斜

盛放待测液体的玻璃皿置于塑料容器中单纯依靠水的浮力作用升降，塑料容器底面凹凸不平，加之玻璃皿和塑料容器的契合度差，升降过程中玻璃皿容易倾斜，导致待测液体倾洒．升降装置倾斜晃动也会引起液面升降过程不平稳，出现震动，导致液膜在张力未达到临界状态就出现断裂，引起实验误差．

针对这个问题，去掉增加浮力的塑料容器，在玻璃皿外壁均匀粘贴泡沫以增大浮力，反复测试得到合适的泡沫厚度和宽度，改进后的盛液装置下表面平滑不产生气泡，能够平稳升降且不倾斜，去掉外面套的塑料容器后升降装置简化，克服了嵌套过程不契合引起的不平稳，减小了实验误差．

2.2 橡皮球阀门处液体容易反流而引起出气孔堵塞

原仪器橡皮阀门连接口虽同封闭装置中最高液面有一定高度差，但实际操作中水下降过程中还是会出现水经由橡胶管反流到橡皮阀门的现象．阀门接口处生锈会引起阀门出气孔堵塞，水面下降过程不平稳，甚至出现卡顿，造成实验误差．解决的方法是将排气管中间位置固定在水容器侧面，抬高排气管高度（见图2）．

图2 改进后的表面张力系数测量仪

2.3 仪器未设计读取液膜高度的组件

为了解决这个问题，提高实验精度，在原仪器上加装水准仪，测量液膜高度实验改装图见图2．液体表面张力仪包括硅压阻力敏传感器、圆形吊环、粘贴泡沫的玻璃皿、盛装水的圆形容器、改装后增加的水位计、橡皮球阀门．

表1 蒸馏水表面张力系数测量（室温为20℃）

3 仪器改进前后的数据对比分析

3.1 力敏传感器的定标

表2 力敏传感器的定标

3.2 用改进后的仪器测量蒸馏水的相关数据

4 结语

本文通过改进新型液体表面张力仪，考虑液膜重力，利用修正后的测量公式进行液体表面张力的测试．对比改进仪器前后的实验数据可知，使用改进后的实验方案可以明显提高实验的测量精度，减小实验误差．同时对于仪器的改进还提高了仪器的使用寿命，对于仪器的维护和保养有帮助．改进后的实验方案考虑液膜重力，更加严谨，使学生能够更加深刻理解实验原理，提高学生分析问题和解决问题的能力．

[1] 张昱，李端勇．大学物理实验[M]．北京：科学出版，2014：154-159．

[2] 田静，李辉．液体表面张力系数测量中的影响因素分析[J]．大学物理，2012，31（10）：28-30．

[3] 秦平力，余雪里，张昱．拉脱法测量液体表面张力系数实验中影响实验误差的因素及几个被忽略问题[J]．大学物理实验，2019，32（4）：92-95．

[4] 林仁荣，邱祖强，陈丽敏，等．拉脱法测量液体表面张力系数的改进[J]．大学物理，2017，36（2）：39-42．

[5] 陈骏逸，范伟民．用硅压阻力式力敏传感器测量液体的表面张力系数[J]．实验室研究与探索，2002，21（6）：42-44．

[6] 江惠，赵华，钱莉，等．拉脱法测液体表面张力系数中拐点问题再讨论[J]．贵州师范大学学报，2016，34 （2）：97-100．

[7] 杨宁选，王雪艳，曹海宾．用力敏传感器测液体表面张力系数的不确定度分析及影响因素分析[J]．大学物理实验， 2016，29（6）：113-116．

[9] 刘升光，王艳辉，牟宗信，等．拉脱法测液体表面张力系数中的动态演化过程[J]．物理实验，2017，37（5）：12-15．

Improvement of the new liquid surface tension coefficient measuring instrument

LIU Shuo，FU Yunfei，XU Bin

（School of Optoelectronic Materials and Technology，Jianghan University，Wuhan 430056，China）

The irrationality of FD-NST-B liquid surface tension coefficient instrument and the resulting problems are discussed．New experimental scheme and improved methods were put forward according to experimental studies and previous experience．The traditional liquid surface tension measurement formula is revised by improving the liquid surface tension coefficient meter．The liquid film gravity is considered in the derivation process，and the selection of the relevant measurement voltage value under this condition is analyzed，which improves the measurement accuracy of the liquid surface tension．Through experimental comparison，it is concluded that the improved experimental scheme is more reasonable．

pulled off method；surface tension coefficient；force analysis；error factor

1007-9831（2022）09-0088-04

O4-33∶G642.423

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.09.019

2022-04-20

刘硕（1989-），女，河北石家庄人，实验员，博士，从事磁性材料及大学物理实验研究．E-mail：liushuo_phy@whu.edu.cn