計算機輔助液體表面張力系數測量實驗的改進

宗倩格 葉偉文 洪佳琪 彭保進

摘要：針對目前液體表面張力系數測定實驗存在的問題，利用傳感技術與計算機技術對該實驗進行改進。利用力傳感器測量對圓環的拉力，通過計算機對力傳感器輸出的電信號進行實時采集和分析。改進后在計算機上可以直觀地呈現出信號隨時間變化的曲線，并實時地顯示反映液體表面張力變化的圓環受力情況。結果表明：實驗改進效果直觀明顯，相對誤差小于2%，有推廣應用價值。

關鍵詞：液體表面張力；實驗改進；計算機技術；傳感技術

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）08-0095-02

目前，用于實驗室液體表面張力系數的測量方法有：（1）傳統拉脫法[1]；（2）基于硅單晶電阻應變片與數字電壓表進行測量的方法[2]第一種方法常用焦利秤、扭秤等，然而這些器件精度較低，穩定性不高。第二種方法把力信號轉化為電信號，在定標后，要求學生在實驗過程中讀出液膜斷裂前后瞬間數字電壓表的示數。然而這種測量缺少可視化，且在讀取電壓示數時存在較大偶然誤差。同時，實驗效果只能給學生粗糙的感覺，不利于學生對液體表面張力概念的理解。我們利用傳感技術結合計算機技術開發的實驗裝置，不僅克服上述不足，而且可以實時并清晰地向學生展示整個實驗過程及其結果。

一、實驗改進思路

改進后的實驗裝置示意圖如圖1所示。利用力傳感器測量對圓環的拉力，通過計算機對力傳感器輸出的電信號進行實時采集和分析。

實驗過程為：將力敏傳感器以及金屬圓環位置固定，金屬圓環吊掛在力敏傳感器上，并浸于有待測液體的樣品池中。緩緩降低樣品池的高度（效果相當于緩緩提起金屬圓環），圓環就會拉出一層與液體相連的液膜。由于表面張力的作用，圓環所受向上的拉力會逐漸增大至最大值F，當超過此值時，液膜立即破裂。而力敏傳感器可以實時探測到液體表面張力的這一變化過程。將力敏傳感器探測到的力信號經放大電路的處理變為電信號，由采集卡采集到計算機中，再由相應的VB程序或其他方式實時讀取并描繪出液體表面張力大小的圖像。制成的實驗裝置操作簡單，效果清晰直觀，實用性強。裝置避免移動圓環而造成液膜提前破裂的情況。移動實驗裝置中力敏傳感器以及金屬圓環位置固定不動，對樣品池的高度進行調節。先調節樣品池的高度使金屬圓環完全浸入液體中，再緩慢降低樣品池的高度，效果相當于緩緩提起金屬圓環。

二、實驗結果及誤差分析

（一）實驗結果

當液體為水且環境溫度為18℃時，計算機顯示的力敏傳感器隨時間變化的受力情況如圖2所示。觀察圖中所示受力變化情況，可知與理論分析結果一致。用改進后的實驗裝置進行多次實驗，數據如表1所示。代入式（1），可計算出液體表面張力系數。改進后的實驗裝置既可以非常直觀地看到整個實驗過程中力敏傳感器的受力情況，又能準確地計算出所求的液體表面張力系數的大小。

（二）實驗誤差分析

為了對實驗數據進行誤差分析，在相同的實驗環境下，用傳統的液體表面張力系數測定演示儀測得一組實驗數據。經查表知：水在18℃時，與空氣接觸的水的表面張力系數為0.073N/m。改進后的實驗儀測得的水表面張力系數α的平均值為0.072N/m，與理論值的誤差為1.37%；傳統的實驗儀測得的α平均值為0.0615N/m，誤差為15.8%。可看出，改進后的表面張力實驗儀不僅可視化效果好，而且實驗精確度高。

三、結束語

改進后的實驗裝置，實驗結果精確度高，穩定性好，可視化效果強，不僅解決了力學實驗不直觀、技術含量低的問題，而且通過變化的曲線可以讓學生更直接深切地理解表面張力的意義。本實驗仍忽略了金屬圓環的浮力和水膜的重力所帶來的實驗誤差[3]，后續中也可根據需要在本實驗系統中加入。本實驗改進借助自主編寫VB程序，成功地展現了液體表面張力測定實驗的整個過程。改進后的實驗裝置并沒有讓計算機“包辦”所有的事情。在整個實驗過程中，仍然保留了真正提高學生實驗能力的操作，大大提高學生的實驗興趣[4-5]。改進后的實驗效果直觀明顯，相對誤差小于2%，有一定的推廣應用價值。

參考文獻：

[1]何焰藍，楊俊才.大學物理實驗[M].第二版.北京：機械工業出版社，2009：79.

[2]馮放，牟艷秋.大學物理實驗[M].第一版.北京：高等教育出版社，2017：50.

[3]王祥委，段娟娟，彭朝陽.液體表面張力測定（拉脫法）的誤差分析與修正[J].物理通報，2016，35（10）：67-70.

[4]劉升光，王艷輝，牟宗信，王茂仁，李雪春.拉脫法測液體表面張力系數中的動態演化過程[J].物理實驗，2017，37（5）：12-15.

[5]林淑玲，楊寧俠，劉克.如何利用計算機輔助物理教學[J].中學物理教學參考，2017，46（10）：42-43.