液体表面张力研究报告.doc

对液体表面张力系数测定实验的改进
（邓丹萍，王亚慧，杜庆玉）
指导老师：马国利
（滨州学院物理与电子科学系）

一. 引言
液体表面张力仅存在于极薄的表面层内，是液体表面分子力作用的结果。测量液体表面张力的方法有很多，常用的有拉脱法、毛细血管法、液滴测量法和最大气泡压力法。拉脱法是指测量一个已知周长的金属片从待测液体表面脱离时需要的力，从而得到液体表面张力系数。现在实验室多用拉脱法测量液体表面张力。用拉脱法测量液体表面张力对仪器精度要求高。现用硅压阻式力敏传感张力测定仪，正好能满足测量液体表面张力的需要。
实验过程中若金属片为吊环片，可采用一级近似，可以认为脱离力为表面张力系数乘上脱离表面的周长，即：
F=aπ(R1+R2)
其中F为拉脱力，R1和R2为圆环的内经和外径，a为液体表面张力系数。
由于每个力敏传感器的灵敏度有所不同，开始实验要对力敏传感器进行定标，然后通过定标过程中所记录的数据求出传感器的灵敏度k。
原来的实验过程中，首先在玻璃皿内放入被测液体并安放在实验台上；其次用镊子将金属吊环片拉在传感器的小钩上，调节升降台，将液体升至靠近环片的下沿，观察环片下沿与待测液面是否平行，如果不平行，将金属片取下后，调节吊环上的细丝，使吊环与待测液面平行，然后调节容器下的升降台，使其渐渐上升，将吊环的下沿部分全部浸没与待测液体，然后反向调节升降台，使其液面渐渐下降，这时金属片与液面间形成一层环形液膜，使液面继续下降，测出环形液膜即将拉断前一瞬间数字电压表读数值U1和环形液膜即将拉断后一瞬间数字电压表读数值U2，ΔU= U1- U2,最后将所得数据代入相关公式，求出液体表面张力系数，并与标准值进行比较。
我认为原实验存在以下问题和不足，具体如下：
1. 对于液体表面张力系数的测量仪附件吊环水平调试仅凭感觉是否水平，而对于吊环水平的调节仅依赖于三根金属丝，这种方法既原始也不科学且没有判断依据。对实验造成较大误差。
2. 原有仪器利用人工控制升降台来改变液面高度，但在旋转过程中，由于手工升降的不稳定性，可能造成液面高度调节过程中水面波动，从而给实验结果造成误差。不仅如此，实验过程中我们需要记录拉断前一瞬间数字电压表读数值U1和环形液膜即将拉断后一瞬间数字电压表读数值U2，那么我们使用人工手动调节就更不满足这一要求。
3.原有实验仪器只能测量当前室温下水的液体表面张力系数，然而在实际生活和科研中，研究同种液体在不同环境下表面张力系数的变化更有意义。
二. 设想与思路
针对原实验存在的问题和不足，做出以下设想和改进办法：
1.实验过程对吊环的调平是测量液体表面张力系数很关键的一步，改进后的装置对吊环科学调平方面进行了重新设计。如下图所示。改进后的吊环上增加了一个与吊环平行的万向水平仪，此万向水平仪固定在吊环内部且不接触吊环底部（这样有一点好处是：对力敏传感器定标定时候，可以直接往万向水平仪和吊环组成的上部槽内放砝码，方便了对力敏传感器进行定标。）借助万向水平仪我们可以很直观的判断吊环是否水平，如果不平我们又可以根据不平的情况，通过调节螺丝钉控制各股细线的长度使吊环水平。通过这个改进，使得实验前吊环水平的调试既操作方便也有科学依据。操作整个过程简单且科学。

2. 我们只需利用一简单的橡皮管从容器内向外引水就可以解决人工手动调节升降台带来的麻烦和对水面的影响，不仅如此，注射器成本低而且使用方便。具体做法是利用压强差使水通过橡皮管自动向外排水，此方法能自动降低液面，且过程缓慢不足以对液面造成影响，使实验数据更精确，改进后的实验装置不仅避免了人工手动调节升降台的造成的影响，而且人的注意力可以集中在硅压阻式力敏传感张力测定仪的示数上，使操作更方便。
3.为了能测不同温度下水的表面张力系数，我们在实验中加了一个智能PID温度控制仪、温度传感器、固态继电器和加热器。加热器安装在烧杯底部，对烧杯内的水进行加热，在智能PID温度控制仪上选定水需要加热到的度数，整个加热过程开始进行，加热到选定温度后装置自动停止加热，水温最后稳定到选定温度。考虑到不均匀加热会对液体表面张力产生影响，我们采用如图所示装置，这样小烧杯通过水的热传递获得热量，温度传感器测量小烧杯内的水温，此外，大小烧杯之间的水还起到保温作用，使小烧杯内的水基本不受外界环境的影响。这样的装置设计能使我们测量固定温度下水的表面张力。
对大烧杯进行加热

在小烧杯内进行实验

大小烧杯用水进行热传递

四. 、结果与结论
1.改进后仪器测量数据
我们按照上述想法改进了实验仪器，并利用改进后的仪器做了相应的实验。下面就是我们的实验数据及结果。
1、硅压阻力敏传感器定标
我们使用的这台仪器的定标数据为：
表一、定标数据
物体质量（g）
0.500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
输出电压（mV）
14.2
28.7
42.3
56.3
56.3
70.3
84.5
利用MATLAB进行线性拟合得出的灵敏度为2855mv/N，线性相关系数r=1，当地的重力加速度为g=9.799m/s2。
2、自来水的表面张力系数的测量
用游标卡尺测量金属圆环的内径为D2=33.04mm，外径D1=34.70mm。记录环在即将拉断液膜瞬间数字电压表读数U1，拉断时数字电压表的读数U2，结果如下表：
表二、新实验仪器测量数据
测量次数
U1/mV
U2/mV
/mV
f/N
N/m
1
42.7
-0.5
43.2
15.14
71.16
2
42.8
-0.4
43.2
15.15
71.18
3
43.3
-0.5
43.8
15.32
72.01
4
42.7
-0.3
43.0
15.04
70.68
5
42.8
-0.4
43.2
15.12
71.07
6
42.7
-0.5
43.2
15.15
71.20
7
42.3
-0.2
42.5
14.87
69.87
8
42.8
-0.3
43.1
15.10
70.96
当时水温为30℃，自来水的表面张力系数测量值为a=0.07102N/m。查表知，此温度下水的表面张力系数的标准值为a=0.07118N/m我们测量的百分误差为0.22%。测量时间为下午，无风。
同时我们用新的改进装置测量了水温为50℃是液体的表面张力，测量数据为：
表三.改进装置(水温50℃)测量数据
测量次数
U1/mV
U2/mV
/mV
f/N
N/m
1
41.1
-0.3
41.4
14.50
68.12
2
41.4
-0.6
41.4
14.51
68.17
3
41.2
-0.4
41.2
14.43
67.80
4
41.4
-0.1
41.4
14.51
68.20
5
41.3
-0.3
41.3
14.47
68.01
6
41.3
-0.5
41.3
14.48
68.03
7
41.2
-0.6
41.2
14.45
67.89
8
41.3
-0.2
41.3
14.47
67.93
测量得液体表面张力系数为：a=0.06802N/m。查表知，此温度下水的表面张力系数的标准值为a=0.06792N/m我们测量的百分误差为0.15%。测量时间为下午，无风。
2.原实验仪器测量数据
同时我们还利用原先样式的环，在同一时间进行了测量，测量数
据为：
表四、原实验仪器测量数据
测量次数
U1/mV
U2/mV
/mV
f/N
N/m
1
38.8
-0.2
39.0
13.64
64.12
2
40.4
-0.5
40.9
14.34
67.37
3
40.6
-1.0
41.6
14.58
68.50
4
38.2
-0.3
38.5
13.47
63.29
5
40.2
-0.1
40.3
14.11
66.34
6
41.3
-0.3
41.6
14.58
68.49
7
41.6
-0.2
41.8
14.26
68.74
8
40.6
-0.6
41.2
14.44
67.83
用游标卡尺测量金属圆环的内径为D2=33.04mm，外径D1=34.70mm。测量自来水的表面张力系数测量值为a=0.06684N/m，则原环测量数据的百分误差为6.1%。
五．结果分析
通过对上述数据的比较和分析，我们认为：
（1）表二和表四的数据是在同一时间、同一外部环境下，使用新旧两种仪器的测量结果。由结果可以明显看出，新环的测量精度较旧环的要高六个百分点，可以说明吊环的水平调节和水的波动对测量结果具有非常大的影响。
通过以上分析，我们对这个实验的改进可以较明显的提高实验的测量精度，减小测量误差的产生。
（2）开始吊环的设计我们曾考虑过用自动调平，但是成本较高，运用不具有普遍性，且在教学过程中，不利于培养学生的动手动脑能力，所以综合考虑之后，我们采用了万向水平仪和吊环相结合的改进方式。
（3）我们这次改进做到了实验过程中不用人工调节升降台，也做到了水面的稳定下降。在一定程度上提高了实验的精度。且此方式成本低，很适合用在实验教学里，普通的橡皮管就可以改进一个实验，也可以激发同学们的创造力和想象力。
（4）通过对原实验仪器加上控温装置，我们做到了测量不同温度下水的表面张力系数。这对实际上生活和科研都有很大帮助。

总之，通过改进以后，不仅提高了实验精度，让我们学生对影响实验精度的因素有了更深刻的了解，还让我们领会到了温度对液体表面张力系数产生的影响。
五、附录
参考文献：
1.贺梅英，黄沛天，徐学翔.对FD-NST-I型液体表面张力系数测定仪附件吊环改进的设计【J】.大学物理实验，2008，21（1）：62-63