用DIS探究液体表面张力的实验设计

张一+莫皓云+黄昱璋+陈文鑫

摘 要：本文利用拉脱法测量纯净水和乙醇溶液的液体表面张力。用传统实验方法测量液体表面张力时，由于需要人工观察液面断开瞬间力传感器的读数，给实验带来较大误差。本文采用DIS实时、精确地测量液体的温度与液体表面张力的大小，实验方法简单易行，测量结果更为准确。

关键词：DIS；拉脱法；液体表面张力；实验设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）1-0056-3

1 引 言

液体表面張力是液体一个重要的物理性质，是高中物理教材中重要的教学内容。温度和液体浓度是影响液体表面张力系数的重要因素。液体表面张力在工农业、医学、物理化学等领域的科学研究和日常生活中有着重要的应用，如工业技术中的浮选技术和液体输送技术等。中学教材中并未对液体表面张力的大小进行定量测量，对影响液体表面张力大小的因素也没进行探讨。液体表面张力测定的实验方法有毛细管上升法、Wilhelmy盘法、悬滴法、滴体积法、最大气泡压力法。拉脱法是传统测量液体表面张力的实验方法，但该方法需要实验操作者通过人眼判断液膜拉断这一瞬间力敏传感器的读数，误差较大。本文将DIS与传统实验相结合，用DIS的压力传感器和温度传感器每0.01 s对力与温度采集一次数据，实现液体表面张力的精确测量。[1]

2 实验设计

2.1 实验仪器与装置

实验器材：实验装置示意图和实物图如图1、图2所示。1—朗威DIS力传感器，2—有机玻璃块，3—玻璃器皿，4—升降调节螺丝，5—底座，6— 计算机，7—温度传感器等。

DIS（Digital Information System）相比于其他系统的优点在于其性能稳定、精度高、重复性好、数据收集处理容易。温度传感器中的热电阻由铂金属制成，传感器的金属管内充满导热硅脂，便于外界温度通过金属管传递到铂电阻。力传感器是将力的大小转换为电信号的仪器。工作原理是先通过内部的悬梁臂将力学量转换成金属的应变，然后由传感元件将这种应变转换成电学量，完成“力—电”的转换。

2.2 实验原理分析

当金属吊环底面与液面齐平或略高时，由于液体表面张力的作用，吊环内外壁会带起一部分液体。如图3所示，平衡时吊环重力mg、向上的拉力F与液体表面张力有如下关系：

F=mg+fcosθ（1）

当金属吊环脱离液体表面的过程中，接触角θ逐渐减小并趋近于零。在吊环临界脱离液体时，θ≈0，即cosθ≈1，则平衡条件近似为：

F=mg+f（2）

3 实验步骤

（1）探究纯净水温度与液体表面张力的关系

①调节底座水平调节螺钉使测试底座处于水平状态，调节升降调节螺钉使托盘降到最低，把玻璃器皿放在托盘上。

②打开DIS系统的软件，连接力传感器和温度传感器，将力传感器固定在支架上，挂上制作好的有机玻璃板，并在电脑上调零。温度传感器不必调零。

③将50 mL的纯水加入到玻璃器皿中，调整升降调节螺钉使纯水液面将有机玻璃板底面完全浸没。

④在DIS的数据收集页面中，设置收集数据个数及采样频率，因为调节升降调节螺钉使液面与有机玻璃板完全脱离需要一定的时间，所以设定采样数为4 000，采样频率为1 kHz。

⑤将温度传感器置于纯水中（不可触碰到玻璃器皿底部），在数据开始收集后，缓慢地调节升降调节螺钉，使液面与有机玻璃板完全分离。

⑥分析处理并记录数据，取计算机收集的最大受力数据和其对应的温度数据（2组取平均值）。

⑦往玻璃器皿中加入适量的冷水（热水），起到降温（升温）的作用，重复上述步骤，收集记录数据。

（2）探究乙醇溶液浓度与表面张力的关系

①～⑥步跟探究（1）的操作方法相同。

⑦用量筒逐次将10 mL的无水乙醇加入到50 mL的纯水中，重复上述步骤，收集记录数据。

4 测量实验数据记录及处理（如表1、表2）

根据表1和表2可得纯净水液体表面张力大小与温度关系曲线图及酒精溶液浓度与表面张力大小关系图，如图4、图5所示。

5 分析与结论

1.液体表面张力与温度成反比关系，温度越高，表面张力系数越小，近似地为线性关系。

当液体温度升高，分子的平均动能势必增大。根据统计规律，液体分子热运动的能量分配应遵从麦克斯韦统计分布。当液体温度升高时，具有较大能量的分子数比率增大，达到蒸发态能量的分子数增多，蒸发速度加快，同时，液体内部的分子平均振幅增大，具有振幅超过而又未达到蒸发程度的分子数目也增多。所以，液体表面层分子平均密度更小，平均距离更大的分子数增多，分子的平均引力优势反而减小。因此，随着温度升高液体的表面张力反而减小。

2.液体表面张力与浓度成反比关系，浓度越高，表面张力系数越小。但从数据表面来看，变化不是十分明显，但总体还是随浓度升高呈下降趋势（在室温下）。

参考文献：

[1]陈晓莉.普通物理实验[M].重庆：西南师范大学出版社，2011：092.

[2]谭兴文.液体表面张力系数与温度关系的试验研究[J].西南师范师范大学学报，2007，32（8）：115-118.endprint