拉脫法測量液體表面張力系數實驗的研究與設備改進

羅 澤，梁開明，張宏林，黃 森，李歡歡，2，彭川黔，2，龔恒翔，2

（1.重慶理工大學 理學院，重慶 400054；2.重慶理工大學 光伏新能源應用技術與設備研究所，重慶 400054）

0 引 言

生活中許多涉及液體的物理現象都與液體表面張力有關，而很多實驗中也會用到液體表面張力系數，故液體表面張力系數的測定具有重要的物理意義。測量液體表面張力系數的方法有拉脫法、毛細管法以及最大氣泡壓力法等，其中拉脫法是最常用的方法之一。拉脫法測量液體表面張力系數實驗采用硅壓阻式力敏傳感器測量力的大小，實驗中將硅壓阻式力敏傳感器固定，吊環懸掛于硅壓阻式力敏傳感器上，通過升降液面改變液面與吊環之間的距離，拉起環狀液膜。在液膜斷裂前后，硅壓阻式力敏傳感器上力的變化量即為環狀液膜斷裂前液膜腰部內外表面對應的表面張力。目前，在“液體表面張力系數的測定”實驗中還存在一些不足。拉脫過程中，拉力先增加到某一極大值再減小到某一值后液膜斷裂，斷裂前后的拉力突變減小，并穩定到一更小值。這個過程中，對應液體表面張力為液膜斷裂前后拉力的變化量。傳統系統通過數顯表觀察力的變化，只能看到液膜斷裂前后瞬時拉力的數值，不能看到力隨位移變化的曲線，不便于直觀理解力的變化過程。由于液膜斷裂前后的拉力變化較快，通過即時顯示的數顯表不易觀察斷裂前后的拉力變化量。此外，實驗教學中學生容易將力極大值與斷裂后力穩定值之差作為表面張力的測量值，從而導致測量不準確。

本文對拉脫法測液體表面張力系數的傳統裝置進行改進，將實驗裝置與計算機結合，由計算機直接采集和處理數據，提高了實驗的可視化和自動化程度，便于學生理解力的變化過程，提高了實驗結果的準確性。

1 對實驗設備進行改進

利用計算機繪制拉力傳感器拉力變化曲線，便于直觀反映拉力變化機制。傳統的實驗裝置沒有繪制出拉力傳感器拉力變化曲線，無法直觀表示拉力變化情況，學生容易混淆拉脫前的力與吊環上的最大力；改進后的實驗裝置利用MATLAB采集拉力傳感器拉力并繪制變化曲線，從而直觀表示出拉力變化機制，讓學生看到力的變化曲線，通過圖像讓學生直觀理解力的變化過程。新系統將原來的數據采集裝置更換為計算機自動對采集數據進行處理，可直接得出力敏傳感器的靈敏度和液體表面張力系數，且可根據用戶需要通過編寫程序增加其他功能，使實驗更加自動化和多元化。

2 測試結果分析

圖1為新系統調試后的結果顯示截圖。從圖1可看出，新系統可以繪制力敏傳感器測量出的拉力對應的電壓與升降臺位移的變化曲線，可以更直觀地反映出拉力變化，便于學生理解力的變化過程，且通過信號轉換器和計算機程序直接采集數據并處理數據得到力敏傳感器的靈敏度和表面張力系數，提高了實驗的自動性。

實驗測得吊環的外徑內徑別為3.509 cm、3.316 cm，通過，測得力敏傳感器的靈敏度B=5.56 V/N[1]。在改進實驗設備后，所測液體表面張力系數為49.63×10-3N/m，與純水的液體表面張力系數相比，測量值偏小，原因是測量的自來水中有很多雜質[2-3]。表1為改進后測量液體表面張力系數數據表，其中U1為水膜斷裂之前瞬間的電壓值，U2為水膜斷裂后吊環穩定后的電壓值，ΔU為U1和U2的差值，f為液體表面張力，α為液體表面張力系數。

圖1 設備改進后實驗結果顯示圖

表1 改進后測量液體表面張力系數數據表

3 結 論

本文對拉脫法測液體表面張力系數的傳統裝置進行改進，將實驗裝置與計算機結合，由計算機直接采集和處理數據，可以繪制力敏傳感器測量出的拉力對應的電壓與升降臺位移的變化曲線。新系統能直觀反映拉力變化，便于學生理解力的變化過程，且通過信號轉換器和計算機程序直接采集數據并直接處理得到力敏傳感器的靈敏度和表面張力系數，提高了實驗的自動性，且實驗結果更準確，可視化效果更好。