液体表面张力系数测定实验设计与制作

罗志高，宋树芹

(1.中山大学 公共实验教学中心,广东 广州 510275；2.中山大学 材料科学与工程学院，广东 广州 510275)

1 实验原理简述

将一洁净的圆筒形吊环浸入液体中，然后缓慢地提起吊环，圆筒形吊环将带起一层液膜，使液面收缩的表面张力f沿液面的切线方向，角φ称为湿润角(或接触角)(图1)。

当继续提起圆筒形吊环时，φ角逐渐变小而接近为零，这时所拉出的液膜的里、外两个表面的张力f均垂直向下，设拉起液膜破裂时的拉力为F，则有：

F=(m+m0)g+2f

(1)

式中，m为粘附在吊环上的液体的质量(单位kg)，m0为吊环质量(单位kg)，因表面张力的大小与接触面周边界长度成正比，则有：

2f=π(D内+D外)·α

(2)

其中，比例系数α称为表面张力系数，单位是N/m。α在数值上等于单位长度上的表面张力。

(3)

由于金属膜很薄，被拉起的液膜也很薄，m很小可以忽略，于是公式(3)简化为：

(4)

表面张力系数α与液体的种类、纯度、温度和它上方的气体成分有关。

实验为峰值测量法，用于测量表面张力系数，基于环浸入液体中及从液体中拉起时的物理过程和现象[1-6]，当吊环拉断液柱的一瞬间测定仪显示拉力峰值V1并自动保持该数据，拉脱液体静止后其读数值为V2，记下这两个数值。连续做5次，求平均值。则表面张力和表面张力系数分别表述为公式(5)、(6)：

(5)

(6)

2 基于NI myDAQ液体表面张力系数测定仪设计制作

基于NI myDAQ液体表面张力系数测定仪由肌张力传感器、实验架、信号放大器、NI myDAQ数据采集器、微型计算机等组成。

2.1 实验架设计

初期采用厂家的FB326型实验架，其测水和酒精采用的是两个不同装置，学生经常误把酒精倒入测水的有机玻璃槽中，直接影响测水的性能。为此，自主设计了实验装置架(图2)，其中玻璃漏斗用于盛放水和酒精、实验发现采用有机玻璃或不锈钢制作架子时，效果均不理想，当采用铝合金制作架子时，美观漂亮，获得满意结果(图3)。

图2 实验装置架设计图

图3 实验装置架实际图

2.2 放大器制作

由于肌张力传感器输出信号为毫伏级，输送到NI myDAQ数据采集器的信号太弱，为此制作放大器以放大该信号，图4为所自制的信号放大器实物图、图5为自动测量装置图。

图4 制作的信号放大器

图5 制作的自动测量系统

2.3 myDAQ数据采集程序情况

2.3.1 myDAQ数据采集流程图

myDAQ数据采集流程图如图6所示。

图6 myDAQ数据采集流程图

2.3.2 采样率和采样点

利用DAQ助手采集压阻力敏传感器的电压信号，采样率为1 000，采样点数为100，如图7所示。

图7 采样率采样点数选择过程程序框图

2.3.3 求V值

求V值过程程序框图如图8所示，具体包括如下步骤：

图8 求V值过程程序框图

(1)获取光标位置，当点击“获取数据”时,数据写入前面板的表格。

(2)条件结构判断“减重读数“是否有数据，如果是利用表格中的”增重读数“和”减重读数“求出对应的V值。

(3)从表格中提取数据，并用最小二乘法拟合曲线。

2.3.4 求ΔK

求ΔK过程程序如图9所示，具体步骤包括：

图9 求ΔK过程程序框图

图10 求过程程序框图

(1)从表格中获取采集到的数据，根据V=V1-V2求得表面张力对应读数V；

2.3.6 求吊环的内、外直径

求吊环的内外直径郭晨程序狂徒如图11所示，具体包括：

图11 求吊环的内、外直径过程程序框图

(1)从表格中获取测量的吊环的内、外直径；

图12 求α和过程程序框图

2.3.8 实时读数

实时读数过程程序框图如图13所示，具体包括：

图13 实时读数过程程序框图

(1)转换前面板实时数据标题；

(2)myDAQ的数据实时采集，读取每添加一个砝码后的最大值数据，是否小于0.02是判断是否添加或减少了砝码。

2.3.9 求最大值

求最大值过程程序框图如图14所示，具体包括：

(1)如图14所示将实时数据捆绑成波形数据并显示出来；

图14 求最大值过程程序框图

(2)转换前面板实时数据标题；

(3)myDAQ的数据实时采集，读取每次拉力的最大值数据，是否小于0.5是判断是否重新把吊环放进液体里。

以纯水为例，实际效果如图15，16，17，18所示。

图15 求转换系数K效果图

图16 求拉力对应读数效果图

图17 吊环内外径计算效果图

图18 计算α及不确定度效果图

3 手动测量与自动测量(即基于myDAQ液体表面张力系数测定仪)实际效果对照分析

3.1 手动测量

3.1.1 设备

采用FB326型液体表面张力系数测定仪，如图19所示。

图19 FB326型液体表面张力系数测定仪

3.1.2 结果

(1)手动测量结果

手动测量结果汇总于表1中(25 ℃)。

表1 手动测量计算求得的值汇总表

3.2 自动测量结果

自动测量结果汇总于表2中(25 ℃)。

表2 自动测量结果汇总表

3.3 手动测量与自动测量结果比较

手动测量和自动测量都是用同样的吊环和砝码。将手动测量计算得到的α与自动测量得到的α对照作图比较手动与自动测量的结果如图20所示。两种方法都能得到相同的结果，两者偏差不大。

图20 手动测量与自动测量α对照图

4 实验分析总结

学生通过FB326型液体表面张力系数测定仪进行手动测量纯水和不同浓度酒精表面张力系数，每个样品测试5次，求其转换系数K和吊环内外径平均值，通过计算求出不同液体的表面张力系数，计算不确定度。用基于NI myDAQ液体表面张力系数测定仪测量纯水和不同浓度的酒精表面张力系数，并作误差分析，将这两种方法结合分别对纯水、不同浓度酒精进行数据测量，计算液体表面张力系数且作曲线图，发现这两种方法都有误差，但差别不大，都能达到教学的主要目的。

实验让学生了解液体表面张力系数测定仪的基本结构，学会使用myDAQ和LabVIEW分别进行数据采集和处理；掌握用标准砝码对测量仪进行定标的方法；学会用多种方法做同一实验同时掌握传统和现代测量方法；这有助于拓宽学生知识视野、培养学生用多种方法解决问题以及创新思维能力。

基于NI myDAQ液体表面张力系数测定仪自2017级本科生开始用于物理实验教学至今已经5年，有1万多名中山大学本科生使用其进行实验，受到师生们的一致认可，也根据实验中出现的问题进一步完善。受此启发也在尝试开发其它实验，并鼓励学生参与到实验仪器的自主研发，以提高学生的学习力、思想力和行动力，有助于培养创造型人才。