李可　王天祎　王金艷　路陽(yáng)

摘 要：針對(duì)FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x在實(shí)驗(yàn)中存在的定標(biāo)不準(zhǔn)確、吊環(huán)水平度不易掌握、升降臺(tái)行程小且操作中容易使液面發(fā)生抖動(dòng)的不足提出了一系列改進(jìn)措施。定標(biāo)過(guò)程中用線狀砝碼依次鉤掛代替原有的在托盤中放入片狀砝碼的方法；在傳感器裝置盒上安放水平泡；在吊環(huán)上安放水平泡來(lái)檢驗(yàn)吊環(huán)是否水平；用虹吸管排水的方法降低容器中的液位來(lái)代替升降臺(tái)，不僅使液位的下降形成顯著提高，而且控制虹吸管中液體流動(dòng)速度可以避免液面抖動(dòng)。改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)測(cè)量的精度得到提高。

關(guān)鍵詞：表面張力系數(shù) 線狀砝碼 虹吸法排水

中圖分類號(hào)：O4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）04（b）-0255-02

拉脫法測(cè)量液體表面張力系數(shù)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的基本實(shí)驗(yàn)之一，目前大多數(shù)高等院校都采用上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司生產(chǎn)的FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀對(duì)液體表面張力系數(shù)進(jìn)行測(cè)量。這種儀器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，測(cè)量現(xiàn)象直觀等諸多優(yōu)點(diǎn)。但該儀器仍然存在一些不足。該文對(duì)該儀器在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的不足進(jìn)行了改進(jìn)，提高了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的精度和效率。

1 實(shí)驗(yàn)原理

一個(gè)金屬環(huán)固定在傳感器上，將該環(huán)浸沒(méi)于被測(cè)液體中，并緩慢的下降液位，使圓環(huán)下生成液膜。當(dāng)圓環(huán)從液面拉脫瞬間傳感器受到的拉力差值f=π（D1+D2）α，式中D1，D2分別為圓環(huán)外徑和內(nèi)徑，α為液體表面張力系數(shù)。所以液體表面張力系數(shù)α=f/[π（D1+D2）]

實(shí)驗(yàn)中，液體表面張力可以由下式得到：f=（U1-U2）/B，B為力敏傳感器靈敏度，單位為伏/牛。U1，U2分別為即將拉斷水柱時(shí)數(shù)字電壓表讀數(shù)以及拉斷時(shí)數(shù)字電壓表的讀數(shù)[1]。

2 原有實(shí)驗(yàn)裝置的不足

FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x如圖1所示[2]。圖中1為支架，2為力敏傳感器，3為吊環(huán)，4為玻璃器皿，5為底座，6為升降螺絲，7為航空插頭，8為數(shù)字電壓表，9為調(diào)零旋紐，10為數(shù)字電壓表。此實(shí)驗(yàn)裝置存在如下問(wèn)題。

2.1 定標(biāo)過(guò)程中存在的不足

實(shí)驗(yàn)中力敏傳感器靈敏度B的測(cè)量過(guò)程稱為定標(biāo)。

該傳感器利用了單晶硅材料的壓阻效應(yīng)并由集成電路技術(shù)制成。在圖1的裝置2中，掛鉤處受到的力傳給單晶硅，單晶硅在受到力作用后電阻率發(fā)生變化，測(cè)量電阻可以得到與力的變化成正比的電壓信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)若裝置2不水平，則掛鉤處所受力的變化不與電壓成正比。

圖2是儀器定標(biāo)過(guò)程中用的托盤與片狀砝碼。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)砝碼在托盤中擺放的位置不同則電壓表讀數(shù)不同。

2.2 吊環(huán)水平度不易辨別

實(shí)驗(yàn)中吊環(huán)的水平度是通過(guò)肉眼來(lái)大致判斷的，實(shí)驗(yàn)誤差較大。在拉膜過(guò)程中液膜容易從位置高的一側(cè)斷裂。文獻(xiàn)[1]指出測(cè)量時(shí)如吊環(huán)偏差1°，測(cè)量結(jié)果引入誤差為0.5%；偏差2°引入誤差為1.6%。

2.3 升降臺(tái)行程小，并且手動(dòng)調(diào)節(jié)升降臺(tái)在液面下降過(guò)程中容易發(fā)生抖動(dòng)

拉膜過(guò)程是通過(guò)升降臺(tái)帶動(dòng)器皿中的液體下降完成的。該儀器的升降臺(tái)上下可調(diào)范圍約0.9毫米，行程較小，對(duì)于表面張力系數(shù)小得液體，此行程無(wú)法將液膜拉斷。實(shí)驗(yàn)中升降臺(tái)的下降過(guò)程由手動(dòng)完成，手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)容易造成液面震動(dòng)，導(dǎo)致液膜提前斷裂，給測(cè)量帶來(lái)誤差。

3 實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

針對(duì)原有實(shí)驗(yàn)裝置的不足，我們進(jìn)行了一系列的改進(jìn)。

（1）針對(duì)儀器定標(biāo)過(guò)程中傳感器水平度對(duì)定標(biāo)數(shù)據(jù)的影響，我們?cè)趫D1中裝置2和裝置5兩個(gè)部分都安裝了水平泡，通過(guò)水平泡來(lái)校正傳感器的水平度。

（2）將定標(biāo)所用的片狀砝碼改為銅絲纏繞而成的螺線圈狀的砝碼，并且直接將砝碼依次懸掛在傳感器掛鉤上，如圖3所示，以避免托盤中放置的砝碼其重力偏離掛鉤豎直方向而對(duì)掛鉤處產(chǎn)生的重力矩給測(cè)量帶來(lái)的誤差。

（3）在吊環(huán)上表面固定一個(gè)輕質(zhì)塑料片，其上可放置水平泡對(duì)吊環(huán)水平度進(jìn)行調(diào)整。

（4）利用虹吸原理，將手動(dòng)調(diào)節(jié)升降臺(tái)下降液位改為通過(guò)虹吸法使液面平穩(wěn)下降，避免因手動(dòng)調(diào)節(jié)造成液面及吊環(huán)晃動(dòng)，減小過(guò)失誤差。虹吸原理的應(yīng)用能夠使液面的下降范圍增大，不再受升降臺(tái)的限制。這一改進(jìn)措施使該儀器不僅能夠測(cè)量表面張力系數(shù)小的液體，而且可以將盛有液體的容器放入水浴中，對(duì)不同溫度下液體的表面張力系數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

4 儀器改進(jìn)前后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

4.1 傳感器定標(biāo)實(shí)驗(yàn)

4.1.1 改進(jìn)前定標(biāo)數(shù)據(jù)

在力敏傳感器的砝碼盤中，依次加入0.5g的砝碼，測(cè)出相應(yīng)的電壓輸出值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

用最小二乘法作直線擬合，得到傳感器的靈敏度為B=3.35mV·N-1，擬合得到其線性相關(guān)系數(shù)r=0.999987，北京重力加速度g=9.8015m/s2.

4.1.2 改進(jìn)后定標(biāo)數(shù)據(jù)

在力敏傳感器的掛鉤上，依次掛上0.5g的砝碼，測(cè)出相應(yīng)的電壓輸出值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

用最小二乘法作直線擬合，得到傳感器的靈敏度為B=3.17mV·N-1，擬合得到線性相關(guān)系數(shù)r=0.999996，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置可使測(cè)量值的線性相關(guān)度提高一個(gè)百分點(diǎn)。

4.2 水表面張力系數(shù)的測(cè)定

4.2.1 改進(jìn)前儀器的測(cè)量結(jié)果

用原儀器測(cè)量自來(lái)水的液體表面張力系數(shù)，測(cè)量步驟及結(jié)果如下。

先將吊環(huán)調(diào)水平，將純水倒入玻璃器皿，調(diào)節(jié)吊環(huán)的高低使吊環(huán)與純水液面接觸，然后手動(dòng)調(diào)節(jié)升降臺(tái)螺帽使水位緩慢下降，記錄吊環(huán)在即將拉斷液膜時(shí)的數(shù)字電壓表的讀數(shù)U1和拉斷后數(shù)字電壓表的讀數(shù)U2。數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表3。

計(jì)算得到改進(jìn)前儀器測(cè)量的純水的表面張力系數(shù)為6.76N/m，測(cè)量值與文獻(xiàn)查詢值的百分差為7.2%。

4.2.2 改進(jìn)后儀器的測(cè)量結(jié)果

用改進(jìn)后儀器測(cè)量純水的表面張力系數(shù)，測(cè)量步驟及結(jié)果如下。

先將吊環(huán)調(diào)水平，將純水倒入玻璃器皿，調(diào)節(jié)吊環(huán)的高度使吊環(huán)與水面接觸，然后利用虹吸原理使液面緩慢下降，記錄吊環(huán)在即將拉斷液膜時(shí)的數(shù)字電壓表的讀數(shù)U1和拉斷后數(shù)字電壓表的讀數(shù)U2，數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表4。

計(jì)算得到改進(jìn)后儀器測(cè)量的純水的表面張力系數(shù)為7.46N/m，測(cè)量值與文獻(xiàn)查詢值的百分差為2.37%。

對(duì)比表3和表4的測(cè)量數(shù)據(jù)，可知用改進(jìn)前的儀器測(cè)量的數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍比較大，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，存在較大的誤差。改進(jìn)后的儀器測(cè)量數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，誤差較小。

5 結(jié)語(yǔ)

利用虹吸原理下降液位具有下降平穩(wěn)、行程增加并且可以對(duì)液體進(jìn)行不同溫度下表面張力系數(shù)的測(cè)量。改進(jìn)后的儀器測(cè)量精度有所提高，便于普及和推廣。

參考文獻(xiàn)

[1] 柴麗娜.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2010.

[2] 復(fù)旦天欣科教儀器有限公司.液體表面張力測(cè)定儀說(shuō)明書(shū)[Z].2003.

[5] 代偉，徐平川，陳太紅，等.液體表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)[J].大學(xué)物理，2011，30（9）：38-44.