新型液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x的改進(jìn)

劉碩，付云飛，徐彬

新型液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x的改進(jìn)

劉碩，付云飛，徐彬

（江漢大學(xué) 光電材料與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430056）

討論了FD-NST-B液體表面張力系數(shù)儀存在的不合理之處以及由此帶來(lái)的問(wèn)題，根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究和前人的經(jīng)驗(yàn)，提出了改進(jìn)方法和新的實(shí)驗(yàn)方案．通過(guò)改進(jìn)原有儀器，修正了傳統(tǒng)液體表面張力系數(shù)測(cè)量公式，推導(dǎo)過(guò)程考慮液膜重力，分析此條件下相關(guān)測(cè)量電壓值的選取，提高了液體表面張力系數(shù)的測(cè)量精度．通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得出改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案更加合理

拉脫法；表面張力系數(shù)；受力分析；誤差因素

液體表面張力系數(shù)是表征液體性質(zhì)的重要參數(shù)，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中常采用拉脫法進(jìn)行測(cè)量[1-2]．最早測(cè)量表面張力系數(shù)采用扭稱和約利稱，由于其靈敏度和穩(wěn)定性較差使得測(cè)量的系統(tǒng)誤差較大，后改用力敏傳感器以提升測(cè)量精度．現(xiàn)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的測(cè)量?jī)x多采用硅壓阻力敏傳感器進(jìn)行測(cè)量，將微小力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并以數(shù)字電壓的形式顯示，方便讀數(shù)．液面的升降通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)升降臺(tái)螺帽的方法實(shí)現(xiàn)，手動(dòng)調(diào)節(jié)容易引起待測(cè)液面震動(dòng)，帶來(lái)實(shí)驗(yàn)誤差．FD-NST-B型液體表面張力系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀是一種新型測(cè)量?jī)x，升降液面采用打氣放氣裝置控制，吊環(huán)和液面可以緩慢穩(wěn)定地拉脫，解決了手動(dòng)調(diào)節(jié)引起的誤差問(wèn)題．但是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還是存在一些問(wèn)題：（1）盛放待測(cè)液體的玻璃皿依靠浮力升降，在升降過(guò)程中容易傾斜翻倒；（2）水容器連接的打氣裝置容易出現(xiàn)水倒流的現(xiàn)象，造成儀器放氣孔堵塞，為此進(jìn)行了一些簡(jiǎn)單的改進(jìn)．

此外，該儀器同傳統(tǒng)液體表面張力系數(shù)儀一樣，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程中都忽略了拉起液膜的重力，這樣簡(jiǎn)單直接地忽略嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)的精度[2-3]．文獻(xiàn)[4]考慮液膜重力問(wèn)題，并提出了一些改進(jìn)方法，但多數(shù)較為粗糙．本文通過(guò)增加水位計(jì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，提出一種新型實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)液膜重力的影響進(jìn)行修正，提高了實(shí)驗(yàn)精度．

1 實(shí)驗(yàn)原理修正

金屬圓環(huán)拉出液膜過(guò)程受力分析見(jiàn)圖1．

圖1 金屬圓環(huán)拉出液膜過(guò)程受力分析

由圖1可見(jiàn)，在考慮圓環(huán)拉起液膜重力前提下，液膜被拉斷前豎直方向的受力平衡方程為

此時(shí)液膜的厚度趨同于圓環(huán)厚度，液膜厚度較大，液膜重力是不能忽略的，液膜的重力近似表達(dá)為[4]40

2 原實(shí)驗(yàn)裝置的不足和改進(jìn)

2.1 玻璃皿容易傾斜

盛放待測(cè)液體的玻璃皿置于塑料容器中單純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，升降過(guò)程中玻璃皿容易傾斜，導(dǎo)致待測(cè)液體傾灑．升降裝置傾斜晃動(dòng)也會(huì)引起液面升降過(guò)程不平穩(wěn)，出現(xiàn)震動(dòng)，導(dǎo)致液膜在張力未達(dá)到臨界狀態(tài)就出現(xiàn)斷裂，引起實(shí)驗(yàn)誤差．

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，去掉增加浮力的塑料容器，在玻璃皿外壁均勻粘貼泡沫以增大浮力，反復(fù)測(cè)試得到合適的泡沫厚度和寬度，改進(jìn)后的盛液裝置下表面平滑不產(chǎn)生氣泡，能夠平穩(wěn)升降且不傾斜，去掉外面套的塑料容器后升降裝置簡(jiǎn)化，克服了嵌套過(guò)程不契合引起的不平穩(wěn)，減小了實(shí)驗(yàn)誤差．

2.2 橡皮球閥門處液體容易反流而引起出氣孔堵塞

原儀器橡皮閥門連接口雖同封閉裝置中最高液面有一定高度差，但實(shí)際操作中水下降過(guò)程中還是會(huì)出現(xiàn)水經(jīng)由橡膠管反流到橡皮閥門的現(xiàn)象．閥門接口處生銹會(huì)引起閥門出氣孔堵塞，水面下降過(guò)程不平穩(wěn)，甚至出現(xiàn)卡頓，造成實(shí)驗(yàn)誤差．解決的方法是將排氣管中間位置固定在水容器側(cè)面，抬高排氣管高度（見(jiàn)圖2）．

圖2 改進(jìn)后的表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x

2.3 儀器未設(shè)計(jì)讀取液膜高度的組件

為了解決這個(gè)問(wèn)題，提高實(shí)驗(yàn)精度，在原儀器上加裝水準(zhǔn)儀，測(cè)量液膜高度實(shí)驗(yàn)改裝圖見(jiàn)圖2．液體表面張力儀包括硅壓阻力敏傳感器、圓形吊環(huán)、粘貼泡沫的玻璃皿、盛裝水的圓形容器、改裝后增加的水位計(jì)、橡皮球閥門．

表1 蒸餾水表面張力系數(shù)測(cè)量（室溫為20℃）

3 儀器改進(jìn)前后的數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1 力敏傳感器的定標(biāo)

表2 力敏傳感器的定標(biāo)

3.2 用改進(jìn)后的儀器測(cè)量蒸餾水的相關(guān)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)改進(jìn)新型液體表面張力儀，考慮液膜重力，利用修正后的測(cè)量公式進(jìn)行液體表面張力的測(cè)試．對(duì)比改進(jìn)儀器前后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，使用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案可以明顯提高實(shí)驗(yàn)的測(cè)量精度，減小實(shí)驗(yàn)誤差．同時(shí)對(duì)于儀器的改進(jìn)還提高了儀器的使用壽命，對(duì)于儀器的維護(hù)和保養(yǎng)有幫助．改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案考慮液膜重力，更加嚴(yán)謹(jǐn)，使學(xué)生能夠更加深刻理解實(shí)驗(yàn)原理，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力．

[1] 張昱，李端勇．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M]．北京：科學(xué)出版，2014：154-159．

[2] 田靜，李輝．液體表面張力系數(shù)測(cè)量中的影響因素分析[J]．大學(xué)物理，2012，31（10）：28-30．

[3] 秦平力，余雪里，張昱．拉脫法測(cè)量液體表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)中影響實(shí)驗(yàn)誤差的因素及幾個(gè)被忽略問(wèn)題[J]．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2019，32（4）：92-95．

[4] 林仁榮，邱祖強(qiáng)，陳麗敏，等．拉脫法測(cè)量液體表面張力系數(shù)的改進(jìn)[J]．大學(xué)物理，2017，36（2）：39-42．

[5] 陳駿逸，范偉民．用硅壓阻力式力敏傳感器測(cè)量液體的表面張力系數(shù)[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2002，21（6）：42-44．

[6] 江惠，趙華，錢莉，等．拉脫法測(cè)液體表面張力系數(shù)中拐點(diǎn)問(wèn)題再討論[J]．貴州師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，34 （2）：97-100．

[7] 楊寧選，王雪艷，曹海賓．用力敏傳感器測(cè)液體表面張力系數(shù)的不確定度分析及影響因素分析[J]．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)， 2016，29（6）：113-116．

[9] 劉升光，王艷輝，牟宗信，等．拉脫法測(cè)液體表面張力系數(shù)中的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程[J]．物理實(shí)驗(yàn)，2017，37（5）：12-15．

Improvement of the new liquid surface tension coefficient measuring instrument

LIU Shuo，F(xiàn)U 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

劉碩（1989-），女，河北石家莊人，實(shí)驗(yàn)員，博士，從事磁性材料及大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)研究．E-mail：liushuo_phy@whu.edu.cn