羅志高，宋樹(shù)芹

(1.中山大學(xué) 公共實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,廣東 廣州 510275；2.中山大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510275)

1 實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)述

將一潔凈的圓筒形吊環(huán)浸入液體中，然后緩慢地提起吊環(huán)，圓筒形吊環(huán)將帶起一層液膜，使液面收縮的表面張力f沿液面的切線方向，角φ稱為濕潤(rùn)角(或接觸角)(圖1)。

當(dāng)繼續(xù)提起圓筒形吊環(huán)時(shí)，φ角逐漸變小而接近為零，這時(shí)所拉出的液膜的里、外兩個(gè)表面的張力f均垂直向下，設(shè)拉起液膜破裂時(shí)的拉力為F，則有：

F=(m+m0)g+2f

(1)

式中，m為粘附在吊環(huán)上的液體的質(zhì)量(單位kg)，m0為吊環(huán)質(zhì)量(單位kg)，因表面張力的大小與接觸面周邊界長(zhǎng)度成正比，則有：

2f=π(D內(nèi)+D外)·α

(2)

其中，比例系數(shù)α稱為表面張力系數(shù)，單位是N/m。α在數(shù)值上等于單位長(zhǎng)度上的表面張力。

(3)

由于金屬膜很薄，被拉起的液膜也很薄，m很小可以忽略，于是公式(3)簡(jiǎn)化為：

(4)

表面張力系數(shù)α與液體的種類、純度、溫度和它上方的氣體成分有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)為峰值測(cè)量法，用于測(cè)量表面張力系數(shù)，基于環(huán)浸入液體中及從液體中拉起時(shí)的物理過(guò)程和現(xiàn)象[1-6]，當(dāng)?shù)醐h(huán)拉斷液柱的一瞬間測(cè)定儀顯示拉力峰值V1并自動(dòng)保持該數(shù)據(jù)，拉脫液體靜止后其讀數(shù)值為V2，記下這兩個(gè)數(shù)值。連續(xù)做5次，求平均值。則表面張力和表面張力系數(shù)分別表述為公式(5)、(6)：

(5)

(6)

2 基于NI myDAQ液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀設(shè)計(jì)制作

基于NI myDAQ液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀由肌張力傳感器、實(shí)驗(yàn)架、信號(hào)放大器、NI myDAQ數(shù)據(jù)采集器、微型計(jì)算機(jī)等組成。

2.1 實(shí)驗(yàn)架設(shè)計(jì)

初期采用廠家的FB326型實(shí)驗(yàn)架，其測(cè)水和酒精采用的是兩個(gè)不同裝置，學(xué)生經(jīng)常誤把酒精倒入測(cè)水的有機(jī)玻璃槽中，直接影響測(cè)水的性能。為此，自主設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置架(圖2)，其中玻璃漏斗用于盛放水和酒精、實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用有機(jī)玻璃或不銹鋼制作架子時(shí)，效果均不理想，當(dāng)采用鋁合金制作架子時(shí)，美觀漂亮，獲得滿意結(jié)果(圖3)。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置架設(shè)計(jì)圖

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置架實(shí)際圖

2.2 放大器制作

由于肌張力傳感器輸出信號(hào)為毫伏級(jí)，輸送到NI myDAQ數(shù)據(jù)采集器的信號(hào)太弱，為此制作放大器以放大該信號(hào)，圖4為所自制的信號(hào)放大器實(shí)物圖、圖5為自動(dòng)測(cè)量裝置圖。

圖4 制作的信號(hào)放大器

圖5 制作的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

2.3 myDAQ數(shù)據(jù)采集程序情況

2.3.1 myDAQ數(shù)據(jù)采集流程圖

myDAQ數(shù)據(jù)采集流程圖如圖6所示。

圖6 myDAQ數(shù)據(jù)采集流程圖

2.3.2 采樣率和采樣點(diǎn)

利用DAQ助手采集壓阻力敏傳感器的電壓信號(hào)，采樣率為1 000，采樣點(diǎn)數(shù)為100，如圖7所示。

圖7 采樣率采樣點(diǎn)數(shù)選擇過(guò)程程序框圖

2.3.3 求V值

求V值過(guò)程程序框圖如圖8所示，具體包括如下步驟：

圖8 求V值過(guò)程程序框圖

(1)獲取光標(biāo)位置，當(dāng)點(diǎn)擊“獲取數(shù)據(jù)”時(shí),數(shù)據(jù)寫(xiě)入前面板的表格。

(2)條件結(jié)構(gòu)判斷“減重讀數(shù)“是否有數(shù)據(jù)，如果是利用表格中的”增重讀數(shù)“和”減重讀數(shù)“求出對(duì)應(yīng)的V值。

(3)從表格中提取數(shù)據(jù)，并用最小二乘法擬合曲線。

2.3.4 求ΔK

求ΔK過(guò)程程序如圖9所示，具體步驟包括：

圖9 求ΔK過(guò)程程序框圖

圖10 求過(guò)程程序框圖

(1)從表格中獲取采集到的數(shù)據(jù)，根據(jù)V=V1-V2求得表面張力對(duì)應(yīng)讀數(shù)V；

2.3.6 求吊環(huán)的內(nèi)、外直徑

求吊環(huán)的內(nèi)外直徑郭晨程序狂徒如圖11所示，具體包括：

圖11 求吊環(huán)的內(nèi)、外直徑過(guò)程程序框圖

(1)從表格中獲取測(cè)量的吊環(huán)的內(nèi)、外直徑；

圖12 求α和過(guò)程程序框圖

2.3.8 實(shí)時(shí)讀數(shù)

實(shí)時(shí)讀數(shù)過(guò)程程序框圖如圖13所示，具體包括：

圖13 實(shí)時(shí)讀數(shù)過(guò)程程序框圖

(1)轉(zhuǎn)換前面板實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)標(biāo)題；

(2)myDAQ的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，讀取每添加一個(gè)砝碼后的最大值數(shù)據(jù)，是否小于0.02是判斷是否添加或減少了砝碼。

2.3.9 求最大值

求最大值過(guò)程程序框圖如圖14所示，具體包括：

(1)如圖14所示將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)捆綁成波形數(shù)據(jù)并顯示出來(lái)；

圖14 求最大值過(guò)程程序框圖

(2)轉(zhuǎn)換前面板實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)標(biāo)題；

(3)myDAQ的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，讀取每次拉力的最大值數(shù)據(jù)，是否小于0.5是判斷是否重新把吊環(huán)放進(jìn)液體里。

以純水為例，實(shí)際效果如圖15，16，17，18所示。

圖15 求轉(zhuǎn)換系數(shù)K效果圖

圖16 求拉力對(duì)應(yīng)讀數(shù)效果圖

圖17 吊環(huán)內(nèi)外徑計(jì)算效果圖

圖18 計(jì)算α及不確定度效果圖

3 手動(dòng)測(cè)量與自動(dòng)測(cè)量(即基于myDAQ液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀)實(shí)際效果對(duì)照分析

3.1 手動(dòng)測(cè)量

3.1.1 設(shè)備

采用FB326型液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀，如圖19所示。

圖19 FB326型液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀

3.1.2 結(jié)果

(1)手動(dòng)測(cè)量結(jié)果

手動(dòng)測(cè)量結(jié)果匯總于表1中(25 ℃)。

表1 手動(dòng)測(cè)量計(jì)算求得的值匯總表

3.2 自動(dòng)測(cè)量結(jié)果

自動(dòng)測(cè)量結(jié)果匯總于表2中(25 ℃)。

表2 自動(dòng)測(cè)量結(jié)果匯總表

3.3 手動(dòng)測(cè)量與自動(dòng)測(cè)量結(jié)果比較

手動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)測(cè)量都是用同樣的吊環(huán)和砝碼。將手動(dòng)測(cè)量計(jì)算得到的α與自動(dòng)測(cè)量得到的α對(duì)照作圖比較手動(dòng)與自動(dòng)測(cè)量的結(jié)果如圖20所示。兩種方法都能得到相同的結(jié)果，兩者偏差不大。

圖20 手動(dòng)測(cè)量與自動(dòng)測(cè)量α對(duì)照?qǐng)D

4 實(shí)驗(yàn)分析總結(jié)

學(xué)生通過(guò)FB326型液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量純水和不同濃度酒精表面張力系數(shù)，每個(gè)樣品測(cè)試5次，求其轉(zhuǎn)換系數(shù)K和吊環(huán)內(nèi)外徑平均值，通過(guò)計(jì)算求出不同液體的表面張力系數(shù)，計(jì)算不確定度。用基于NI myDAQ液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀測(cè)量純水和不同濃度的酒精表面張力系數(shù)，并作誤差分析，將這兩種方法結(jié)合分別對(duì)純水、不同濃度酒精進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，計(jì)算液體表面張力系數(shù)且作曲線圖，發(fā)現(xiàn)這兩種方法都有誤差，但差別不大，都能達(dá)到教學(xué)的主要目的。

實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀的基本結(jié)構(gòu)，學(xué)會(huì)使用myDAQ和LabVIEW分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理；掌握用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)測(cè)量?jī)x進(jìn)行定標(biāo)的方法；學(xué)會(huì)用多種方法做同一實(shí)驗(yàn)同時(shí)掌握傳統(tǒng)和現(xiàn)代測(cè)量方法；這有助于拓寬學(xué)生知識(shí)視野、培養(yǎng)學(xué)生用多種方法解決問(wèn)題以及創(chuàng)新思維能力。

基于NI myDAQ液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀自2017級(jí)本科生開(kāi)始用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)至今已經(jīng)5年，有1萬(wàn)多名中山大學(xué)本科生使用其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，受到師生們的一致認(rèn)可，也根據(jù)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)一步完善。受此啟發(fā)也在嘗試開(kāi)發(fā)其它實(shí)驗(yàn)，并鼓勵(lì)學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)儀器的自主研發(fā)，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)力、思想力和行動(dòng)力，有助于培養(yǎng)創(chuàng)造型人才。