液體表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)(最終修改稿)

1、液體表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)代 偉, 徐平川，陳太紅，曾體賢，蘭小剛（西華師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 四川、南充 637002）摘 要 : 本文對(duì)現(xiàn)有吊環(huán)法液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x的水平調(diào)節(jié)裝置、吊環(huán)升降裝置存在的不足進(jìn)行了改進(jìn)，另外在原有儀器上增加了液體加熱裝置以便對(duì)不同溫度下的液體表面張力系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)說(shuō)明新的實(shí)驗(yàn)裝置更加科學(xué)合理.通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比得出：新的實(shí)驗(yàn)裝置操作方便、實(shí)驗(yàn)誤差小，重復(fù)性好，有推廣價(jià)值。關(guān)鍵詞 ：表面張力；表面張力系數(shù)；吊環(huán)法；改進(jìn)中圖分類號(hào)：O414·19 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0712由于液體分子間的相互吸引力，使得液體具有盡量縮小其表面的

2、趨勢(shì)，好像液體表面是一張拉緊了的橡皮膜。這種沿著液體表面的、收縮液面的力稱為表面張力。液體表面張力的存在解釋了物質(zhì)的液體狀體所呈現(xiàn)的許多現(xiàn)象，如泡沫的形成、浸潤(rùn)和毛細(xì)現(xiàn)象等。在工業(yè)技術(shù)上，浮選技術(shù)和液體輸送技術(shù)等方面都要對(duì)液體表面張力系數(shù)進(jìn)行研究。另外表面張力系數(shù)的測(cè)量在石油、化工、醫(yī)藥及水電部門對(duì)絕緣油油質(zhì)的監(jiān)督等部門有著廣泛的應(yīng)用。測(cè)定表面張力系數(shù)常用的方法有：吊環(huán)法、吊片法、懸滴法、靜滴法(躺滴法)、旋轉(zhuǎn)液滴法、等密度法、最大氣泡壓力法和毛細(xì)管上升法等1-6。基于以上的測(cè)量方法，國(guó)內(nèi)外科研部門研制了一些測(cè)量液體表面張力系數(shù)的儀器，在這些儀器中，應(yīng)用最多的是吊環(huán)法。目前吊環(huán)法液體表面張力系

3、數(shù)測(cè)量?jī)x主要有兩種，一種是指針式手動(dòng)張力系數(shù)儀，另一種是單片機(jī)控制的數(shù)顯測(cè)量?jī)x，這兩種儀器的共同缺點(diǎn)是測(cè)試人員的人為干預(yù)多、安裝調(diào)試復(fù)雜，儀器可操作性差，系統(tǒng)誤差大7，測(cè)試結(jié)果重復(fù)性不好，基于此，本文研究、設(shè)計(jì)一種新的液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀，可彌補(bǔ)上述兩種儀器的不足。1 實(shí)驗(yàn)原理金屬環(huán)固定在傳感器上，將該環(huán)浸沒(méi)于被測(cè)液體中，并漸漸拉起圓環(huán)，當(dāng)它從液面拉脫瞬間傳感器受到的拉力差值為 ： (1)其中， 、分別為的金屬環(huán)的外、內(nèi)徑，為液體表面張力系數(shù)。 另外，由數(shù)字電壓表及硅壓阻力敏傳感器得到液體表面張力 (2)其中， 為力敏傳感器靈敏度，單位為。為吊環(huán)即將拉斷液柱前數(shù)字電壓表的最大讀數(shù)，為拉斷液柱

4、數(shù)字電壓表的讀數(shù)。故液體表面張力系數(shù)為 （3）實(shí)驗(yàn)表明，與液體種類、純度、溫度和液面上方的氣體成分有關(guān)，液體溫度越高，值越小，液體含雜質(zhì)越多，值越小，只要上述條件保持一定，則是一個(gè)常數(shù)，所以測(cè)量時(shí)要記下當(dāng)時(shí)的溫度和所用液體的種類及純度。2 原有測(cè)量?jī)x存在的問(wèn)題在現(xiàn)有的液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x中，一般采用拉脫法測(cè)量液體表面張力系數(shù)，目前大都用半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片構(gòu)成的高靈敏度微張力傳感器和測(cè)試顯示儀表來(lái)取代以往的焦利秤、扭秤、天平等，進(jìn)行液體表收稿日期：2010-10-23. 修訂日期：作者簡(jiǎn)介：代 偉(1964-),男,四川遂寧人,西華師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院副教授.本科,主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

5、與研究.面張力測(cè)量。這種儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，測(cè)量誤差小，重復(fù)性較好，物理概念表達(dá)清晰、直觀，比用以往的焦利秤、扭秤、天平等進(jìn)行測(cè)量雖說(shuō)有了很大的改進(jìn)，但現(xiàn)有儀器仍然存在以下幾點(diǎn)不足：2.1 現(xiàn)有的吊環(huán)法液體表面張力測(cè)量?jī)x主要誤差來(lái)源之一是吊環(huán)不易調(diào)水平，懸掛吊環(huán)各銅絲長(zhǎng)度不均，致使圓環(huán)不水平，在表面張力作用下，吊環(huán)低的一側(cè)拉起的水柱內(nèi)外表面為圖1（a）所示的鞍面，而吊環(huán)高的一側(cè)拉起的水柱內(nèi)外表面為圖1（b）所示的雙曲面，這樣吊環(huán)拉起的水柱內(nèi)外表面就形不成圖1（c） （a） （b） （c） 圖1 圓環(huán)拉起的水柱切面形狀所示的柱面，導(dǎo)致受力不均，液體薄膜就很容易從位置高的一側(cè)斷裂，在測(cè)量中引入

6、粗大誤差。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°,則引入誤差為1.6%?，F(xiàn)有儀器吊環(huán)水平調(diào)節(jié)裝置是通過(guò)調(diào)節(jié)三根細(xì)金屬絲憑感覺(jué)判斷吊環(huán)下沿是否水平，用此方法調(diào)水平既原始也不科學(xué)，而且沒(méi)有判斷依據(jù)。所以吊環(huán)是否水平很難判斷，調(diào)節(jié)不好在測(cè)量中就會(huì)引入較大的粗大誤差。2.2 現(xiàn)有儀器吊環(huán)的拉脫是通過(guò)絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)讓盛裝液體的玻璃皿下降完成，升降裝置中使用的是細(xì)牙螺紋，測(cè)量時(shí)要調(diào)節(jié)載物臺(tái)上下移動(dòng)非常困難，加之原儀器移動(dòng)行程短，在測(cè)一些表面張力系數(shù)小的液體時(shí)往往拉不斷液膜；另外在調(diào)節(jié)升降螺母時(shí)會(huì)使載物臺(tái)下降時(shí)儀器會(huì)晃動(dòng)，一晃動(dòng)就容易導(dǎo)致吊環(huán)或砝碼盤震動(dòng)、擺動(dòng)（單擺與錐

7、擺）、轉(zhuǎn)動(dòng)等，同時(shí)致使力敏傳感器掛鉤受力不穩(wěn)定、不豎直，數(shù)字電壓表顯示不穩(wěn)定，液膜容易突然斷裂，引入粗大誤差（過(guò)失誤差），使測(cè)量精度大大降低。2.3 原有儀器沒(méi)有加熱裝置，所以只能測(cè)量室溫環(huán)境下的液體表面張力系數(shù)，而實(shí)際測(cè)量中往往需要測(cè)量某一溫度下的液體表面張力系數(shù)，所以原有裝置不能滿足實(shí)際測(cè)量需要。針對(duì)以上存在的問(wèn)題我們對(duì)原裝置進(jìn)行了改進(jìn)，將水平儀，恒溫加熱套，齒輪齒條升降裝置等用于新儀器中，用改進(jìn)后的裝置來(lái)測(cè)量液體表面張力系數(shù)設(shè)計(jì)方法科學(xué)，實(shí)驗(yàn)誤差小，可操作性強(qiáng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證完全可行，得到了比較滿意的實(shí)驗(yàn)效果。3 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置針對(duì)原有儀器的不足，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示：儀器有一底座1

8、，底座1上固定一L形立柱2，固定滑塊6固定在立柱上。升降滑塊8與固定滑塊6通過(guò)燕尾槽實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)配合。力敏傳感器10通過(guò)懸臂桿固定在升降滑塊8上，鋁合金吊環(huán)14、小型水平儀13都安裝在一圓形塑料固定架12上，小型水平儀采用的金華市益佳工具廠生產(chǎn)的塑料圓柱水準(zhǔn)泡，規(guī)格為30 mm×14mm，固定架12的圓周均布有三個(gè)水平調(diào)節(jié)鈕，水平調(diào)節(jié)鈕與懸掛細(xì)線11相連，固定架12用細(xì)線11連接懸掛在力敏傳感器上。通過(guò)水平調(diào)節(jié)鈕調(diào)節(jié)細(xì)線11的長(zhǎng)度可將吊環(huán)14調(diào)水平，這樣在測(cè)量中可大大降低引入粗大誤差；吊環(huán)從液面中拉脫通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)升降調(diào)節(jié)手輪3帶動(dòng)齒輪與齒條傳動(dòng)裝置使升降滑塊8上升即可實(shí)現(xiàn)，測(cè)量中儀器就不會(huì)晃

9、動(dòng)，這樣就可大大降低過(guò)失誤差；被測(cè)液體的加熱由恒溫加熱套16完成，實(shí)驗(yàn)裝置中的可控溫加熱裝置使用的是北京泰亞賽?？萍及l(fā)展有限責(zé)任公司經(jīng)銷的BSM100型數(shù)顯恒溫加熱套。這樣改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置具有三個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：第一，可對(duì)不同溫度下的液體表面張力系數(shù)進(jìn)行測(cè)量；第二，通過(guò)水平調(diào)節(jié)裝置可使吊環(huán)在測(cè)量時(shí)完全處于水平狀態(tài)；第三，吊環(huán)的拉托、升降采用齒輪齒條傳動(dòng)，升降速度快，拉脫容易。所以儀器經(jīng)過(guò)改進(jìn)后測(cè)量精度高，實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性、重復(fù)性好，操作容易，使用方便，值得推廣。 圖2 新的實(shí)驗(yàn)裝置1底座 2立柱 3升降手輪 4 鎖緊螺母 5此輪軸 6固定滑塊 7齒輪 8活動(dòng)滑塊 9固定螺釘10力敏傳感器 11細(xì)線 12固

10、定架 13水平儀 14吊環(huán) 15燒杯 16恒溫加熱套 17測(cè)量?jī)x4 新舊儀器實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析4.1 硅壓阻力敏傳感器定標(biāo)：力敏傳感器上分別加各種質(zhì)量砝碼，測(cè)出相應(yīng)的電壓輸出值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.表1 力敏傳感器定標(biāo)物體質(zhì)量m/g0.5001.0001.5002.0002.5003.0003.500輸出電壓V/mV15.029.844.959.974.987.4103.0經(jīng)最小二乘法擬合得儀器的靈敏度B=2.938×103mV/N，擬合的線性相關(guān)系數(shù)r=0.9997.南充地區(qū)重力加速度g=9.792m/S2。用游標(biāo)卡尺測(cè)量金屬圓環(huán)：外徑D1=34.96mm,內(nèi)徑D2=33.10mm。4.2

11、用改進(jìn)后的液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀測(cè)量純水的液體表面張力系數(shù)，測(cè)量結(jié)果如下：先將吊環(huán)調(diào)水平，再調(diào)節(jié)升降手輪使吊環(huán)上升，記錄吊環(huán)在即將拉斷液柱時(shí)數(shù)字電壓表讀數(shù)U1，拉斷時(shí)數(shù)字電壓表的讀數(shù)U2，結(jié)果見(jiàn)表2。表2 純水的表面張力系數(shù)測(cè)量 (水的溫度25.00)測(cè)量次數(shù)U1/mVU2/mV/mVf/×10NN/m1131.384.846.515.5972.912139.593.446.115.4572.263144.398.645.715.3271.66459.413.846.615.6273.06565.218.646.615.6273.06625.6-20.546.115.4572.26在

12、此溫度下水的表面張力系數(shù)為（72.54±0.57）×10-3N/m.經(jīng)查表，在T=25.0時(shí)水的表面張力系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為71.96×10-3N/m，百分誤差為0.8%。4.3 用原有的液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀測(cè)量純水的液體表面張力系數(shù)，測(cè)量結(jié)果如下：表3 純水的表面張力系數(shù)測(cè)量 (水的溫度25.00)測(cè)量次數(shù)U1/mVU2/mV/mVf/×10NN/m151.24.846.515.8173.95249.43.446.015.6573.20354.58.645.915.6273.07460.413.846.615.8674.19565.218.646.615.6

13、273.06631.8-15.547.316.1075.29在此溫度下水的表面張力系數(shù)為（73.79±0.88）×10-3N/m.經(jīng)查表，在T=25.0時(shí)水的表面張力系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為71.96×10-3N/m，百分誤差為2.5%。5 新舊儀器實(shí)驗(yàn)誤差對(duì)比表4 新舊儀器測(cè)量不同樣品得到的誤差(測(cè)量溫度25.00)樣品純水乙醇甘油(丙三醇)標(biāo)準(zhǔn)值N/m71.96×10-321.95×10-358.70×10-3舊儀器測(cè)量值N/m73.79×10-321.45×10-357.02×10-3測(cè)量百分誤差2.5%2.3

14、%2.9%新儀器測(cè)量值N/m72.54×10-321.85×10-358.95×10-3測(cè)量百分誤差0.8%0.5%0.4%（注：不同樣品在不同溫度下的表面張力系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值可在參考文獻(xiàn)8的附錄中查閱）6 不同溫度下純水的液體表面張力系數(shù)通過(guò)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置還可以測(cè)量不同溫度下的液體表面張力系數(shù)，找出溫度與液體表面張力系數(shù)之間的變化關(guān)系，圖3為純水在不同溫度下的液體表面張力系數(shù)的變化情況。從圖中可以看出溫度升高液體表面張力系數(shù)降低。 圖3 溫度液體表面張力系數(shù)關(guān)系曲線結(jié)論：通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比和不同樣品誤差對(duì)比可以看出使用改進(jìn)后的液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x測(cè)液體表面張力系數(shù)不但

15、測(cè)試方便，而且測(cè)量精度也比原儀器大大提高。另外儀器還可方便測(cè)出不同溫度下的液體表面張力系數(shù)，值得推廣。參考文獻(xiàn)：1 代偉、方小兵、陳中鈞等大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)M北京:科學(xué)出版社,2010：106-1082 沈元華、陸申龍基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)M北京:高等教育出版社,2003：116-1193 李大勇，石德全 基于新方法的液體表面張力快速測(cè)定儀的研究J儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27(1)：61-64 4 于軍勝，唐季安 表（界）面張力測(cè)定方法的進(jìn)展J化學(xué)通報(bào)，1997，11：11-15 5 尹東霞，馬沛生，夏淑倩 液體表面張力測(cè)定方法的研究進(jìn)展J科技通報(bào)， 2007， 23(3)： 424-429 6 焦麗鳳， 陸

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17、West Normal University, Nanchong 637002,China)Abstract: In this paper, the existing method of liquid surface tension rings, measuring the level of conditioning, the shortcomings of the rings lifting devices has been improved, while an increase in the original instrument for liquid heating the liquid at different temperatures to measure the surface tension coefficient, The new experimental apparatus that