趙婷婷

（太原工業(yè)學(xué)院理學(xué)系，山西太原030008）

生活中很多物理現(xiàn)象和液體的表面張力有關(guān)，例如雨后草上的小水珠，昆蟲在水面行走等。由于液體分子與分子之間的相互作用，使液體表面形成一層張緊的膜，其上作用著張力，叫做表面張力，實(shí)質(zhì)上是分子間相互作用的宏觀表現(xiàn)，是液體的重要性質(zhì)之一，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，其應(yīng)用廣泛存在。測(cè)量液體表面張力系數(shù)是普通物理實(shí)驗(yàn)的基本項(xiàng)目之一[1-3]，是研究液體表面性質(zhì)所要用到的物理量，不同種類的液體，張力系數(shù)α值不同，同一液體溫度不同，α值也不同。因此，在測(cè)量α值時(shí)，必須注明在什么溫度下進(jìn)行的。測(cè)量方法一般有拉脫法、液滴法、毛細(xì)管法和最大泡壓法等。

目前，高校開展的液體表面張力系數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)，大部分采用的是上海復(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。該儀器有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中仍然存在一些不足[4-8]，從而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文設(shè)計(jì)了測(cè)量液體表面張力系數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置利用電子天平測(cè)量液體表面張力系數(shù)的原理，并且彌補(bǔ)了上海復(fù)旦天欣科教儀器的不足。

1 液體表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)

液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀，如圖1所示,包括電子天平，三線調(diào)節(jié)吊環(huán)，升降調(diào)節(jié)手輪，固定架，玻璃器皿和防風(fēng)罩。圖2為液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x的吊盤的俯視圖。圖3為水平檢測(cè)裝置。

圖1 液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀簡(jiǎn)圖

圖2 吊環(huán)俯視圖

圖3 水平檢測(cè)裝置

電子分析天平用來(lái)測(cè)量液體表面張力值的大小，其操作方便，稱量準(zhǔn)確。在使用FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先是要對(duì)硅壓力敏傳感器進(jìn)行定標(biāo)，方法是將不同質(zhì)量的砝碼放到砝碼盤上，測(cè)量出砝碼質(zhì)量與輸出電壓之間的關(guān)系。但在具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，若要使掛鉤處所受力的變化與電壓成正比，其前提是砝碼盤必須保持水平，而吊環(huán)的水平度是通過(guò)調(diào)節(jié)3根金屬絲來(lái)實(shí)現(xiàn)的，用肉眼判斷水平度是有偏差的；當(dāng)學(xué)生將砝碼擺放在砝碼盤的不同位置時(shí)，力敏傳感器的電壓值讀數(shù)也是不同的，這些都對(duì)定標(biāo)過(guò)程產(chǎn)生影響。本文描述的裝置則省去了定標(biāo)過(guò)程。

液體容器是玻璃器皿，用來(lái)盛放待測(cè)液體，其容器壁上有溫度計(jì)，可以顯示液體的實(shí)際溫度。

吊盤和吊環(huán)。吊盤在上，吊環(huán)在下，二者由3條無(wú)伸長(zhǎng)柔軟細(xì)繩聯(lián)結(jié)而成，吊盤和吊環(huán)的系繩點(diǎn)構(gòu)成等邊三角形。吊盤每個(gè)系繩點(diǎn)有對(duì)應(yīng)的絞線軸和第一鎖緊螺栓控制，通過(guò)絞線軸可調(diào)節(jié)相應(yīng)的繩長(zhǎng)，從而調(diào)節(jié)下端吊環(huán)的水平度，調(diào)節(jié)好繩長(zhǎng)后，用第一鎖緊螺栓鎖緊。下方吊環(huán)的上表面放置一個(gè)輕質(zhì)塑料等邊三角形薄板，在薄板中央放置有水準(zhǔn)儀，用來(lái)檢驗(yàn)吊環(huán)的水平度。此設(shè)計(jì)改進(jìn)了FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀吊環(huán)水平只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)人員用肉眼來(lái)大致判斷的問(wèn)題。

固定架上安裝一個(gè)利用螺紋咬合轉(zhuǎn)動(dòng)的升降調(diào)節(jié)手輪，帶動(dòng)吊環(huán)進(jìn)行上下移動(dòng)，從而使吊環(huán)的升降控制精確，拉膜過(guò)程穩(wěn)定。

在電子天平和液體槽外加上一個(gè)透明塑料罩，避免液體和吊環(huán)因?yàn)橥饨缬绊懚l(fā)生震動(dòng)，造成的測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

2 利用液體表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)儀測(cè)量的原理及方法

利用本儀器測(cè)量液體表面張力系數(shù)時(shí)，按下列步驟進(jìn)行：

1)用游標(biāo)卡尺測(cè)量金屬吊環(huán)外徑D1和內(nèi)徑D2，將吊環(huán)用NaOH溶液洗干凈。首先將液體容器放置在電子天平上，在將待測(cè)液體放入容器內(nèi)。為保證吊環(huán)和液面不受外界影響，把透明罩放置好，避免造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確的問(wèn)題。

2)吊環(huán)調(diào)平：通過(guò)調(diào)節(jié)吊繩的長(zhǎng)度，對(duì)吊環(huán)的水平度進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)桿釋放繩子長(zhǎng)度，或者收回繩子的長(zhǎng)度，使得三根吊繩的長(zhǎng)短一致。為檢測(cè)吊環(huán)的水平度，可以在吊環(huán)上放置水平儀，觀察水平儀中的小氣泡，若小氣泡位于水平儀的中央位置，說(shuō)明吊環(huán)已經(jīng)調(diào)整好，之后將第一鎖緊螺栓鎖緊。

3)測(cè)量：順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕，使吊環(huán)完全浸沒(méi)在待測(cè)液體中。

4)當(dāng)?shù)醐h(huán)浸入液體中并達(dá)到穩(wěn)定后，將電子天平讀數(shù)設(shè)置為“0”，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕，使吊環(huán)平穩(wěn)緩慢上升。當(dāng)?shù)醐h(huán)上液膜剛拉斷時(shí)，讀出電子天平讀數(shù)m值，則待測(cè)液體張力大小值為F=mg。

5)按上面的操作方法，進(jìn)行多次測(cè)量，記錄數(shù)據(jù)，并根據(jù)溫度計(jì)記錄液體溫度t。

(6)利用計(jì)算張力理論公式F=π(D1+D2）α，求解在溫度t時(shí)的表面張力系數(shù)α=mg/π(D1+D2）。

3 結(jié)語(yǔ)

在測(cè)量液體表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量張力值是實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，利用FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，吊環(huán)的水平度和拉膜過(guò)程中的震動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大，而本文所描述的液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀，巧妙運(yùn)用電子天平避開了力敏傳感器定標(biāo)的問(wèn)題，運(yùn)用三線調(diào)節(jié)和水準(zhǔn)儀改進(jìn)了吊環(huán)裝置，使用升降調(diào)節(jié)手輪解決了拉膜過(guò)程中震動(dòng)的問(wèn)題，增加防風(fēng)罩防止外界空氣流動(dòng)的影響，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。