液体表面张力系数测试仪的研制

唐亚明，葛松华，杨清雷

（青岛科技大学，山东 青岛 266042）

1 制作材料和安装调试

材料：压阻式力敏传感器、有机玻璃板（白色）、三氯化甲烷（氯仿）、粘黏剂、注射器、打点滴用输液管、开关导线、电阻电容、集成放大器、数字表头、电源变压器等电子元件。

自制的液体表面张力系数测试仪如图1所示。其中，有机玻璃体容器，通过裁制有机玻璃板，涂抹氯仿粘接而成。容器均匀分割成三部分，其尺寸大小应根据选用注射器的容量定制，原则是：注射器抽满一管液体，容器中液面的降低，足以使圆筒形吊环完成拉脱法测量的全过程，即吊环拉伸中液膜足够长，趋近临界位置才破裂，本装置选用200ml一次性塑料注射器。三部分容器下端钻孔，孔中插入打点滴用输液管，再用粘黏剂密封孔的四周。输液管沿容器边缘，用有机玻璃卡件固定在容器的上端。输液管的另一端与注射器相连接［1－4］。

图2～3是自制本实验专用控制箱面板图和内部电路框图，就是把原先分散放置的电源、信号放大集成块、数显表头等组件，通过开关和线路构成整体，方便连接，构成具有最大值测量功能的数字电压表，易于操作。

图1 液体表面张力系数测定装置示意图

图2 测试仪面板图

图3 测试仪电路框图

在测量中，圆筒形吊环通过丝线悬挂在力敏传感器前端弹簧片上，作用在吊环周边上的液体表面张力，随着被拉升液膜状态的改变而发生变化，而这种受力的变化使弹簧片发生相应的形变，“固定”在弹簧片上的压阻式力敏元件阻值大小随之改变，由这种力敏元件构成的桥路就输出不平衡电压，此电压大小反映了吊环的受力变化量。它让我们感知了吊环拉膜过程中受力的变化，并传递输送了出来，实现了非电量到电量的转换，方便了测量。力敏传感器输出的信号电压，通过放大电路处理，经K1开关的切换，送到数显表头。K1置“测量”位，用于力敏传感器定标；K1置“峰值测量”位，用于采集和保持“拉膜”过程中力敏传感器输出信号电压的最大值［5－9］。

2 仪器操作和实验结果

（1）分别在A、B、C三个容器中倒入待测液体（实验中：A－纯净水；B－10%的氯化钠；C－无水乙醇）。推拉注射器活塞，排尽注射器中气体，最终注射器推至尽头，待用。

（2）驳接力敏传感器到测试仪之间信号线，砝码盘悬挂力敏传感器前端。开启电源，K1置“测量”位。预热5分钟，调节测试仪后面的调零旋钮，使初读数为零。然后每加一个砝码（500mg），读取一个对应数据（mV），可求得力敏传感器的转换系数K（N／mV）。

（3）测定筒形吊环的内外直径，清洗后悬挂力敏传感器前端，仔细调节吊环的悬挂线，使吊环水平，然后把吊环部分浸入液体中，K1置“峰值测量”位，这时缓慢抽拉注射器，液面非常平稳地下降（相对而言即吊环往上提拉），观察环浸入液体中及从液体中拉起时的物理过程和现象。当吊环拉断液柱的一瞬间数显表头显示拉力峰值V1并自动保持该数据。拉断后，再将K1置“测量”位，数显表头恢复随机测量功能，静止后其读数值为V2，记下这个数值。连续做5次，求平均值。那么表面张力：

表面张力系数：

（4）表1记录了对力敏传感器定标所得数据，表2记录了拉脱法测纯净水的数据。用卡尺测吊环的内、外直径D内和D外。

表1 力敏传感器定标数据

转换系数

表2 拉脱法则纯净水数据室温T＝26.5℃

实验结果与同温度下纯净水表面张力系数的公认值相符，误差在3%左右。同样的方法测出10%的氯化钠和无水乙醇的表面张力系数。这样做实验可以加深学生对不同物质、不同浓度液体的表面张力系数物理概念和知识点的建立和理解。

3 结 论

（1）本液体表面张力系数测试仪结构简单、特点鲜明、取材方便、造价低廉。

（2）由于采用注射器抽送传输液体，使得拉脱过程液面升降平稳，比较常用的焦利氏秤、扭秤等手控旋转升降液面，其可能引起的微弱抖动被最大限度克服了，更容易使拉升的液膜在趋近接触角为零时破裂，得到准确的实验数据，且实验重复性好。

（3）学生通过购置材料、安装调试和实验测量全过程，明显感到很开心。一则是课程知识点的串联和应用，自制装置实用性的体现，使得学生自信了和对实验课效果的认可，二则是为学校增添了物理实验仪器装置，节省了购置资金。这样的实验活动，更加坚定了笔者一直以来探索大学物理实验教学知识性、趣味性和应用性相结合教学改革实践的信心。

［1］焦丽凤，陆申龙.用力敏传感器测量液体表面张力系数［J］.物理实验，2002，22（7）.

［2］胡亚范，姚爱巧.用力敏传感器测量液体表面张力系数［J］.物理与工程，2005，15（6）.

［3］葛松华等编.大学物理基础实验［M］.北京：化工业出版社，2008.

［4］复旦天欣科教仪器有限公司.液体表面张力测定仪说明书［Z］.2003.

［5］香茹.用敏传感器测液体表面张力系数的实验研究［J］.科技创新导报，2009（5）：4.

［6］张三慧.大学物理学（力学、电磁学）［M］.北京：清华大学出版社，2011，10：41－45.

［7］林登清，王新春.测定钢丝杨氏模量的实验方案研究［J］.物理通报，2013（2）：48.

［8］张立.大学物理实验［M］.上海：上海交大出版社，1998：23－30.