液体表面张力系数实验仪的设计与测量原理

赵婷婷

（太原工业学院理学系，山西太原030008）

生活中很多物理现象和液体的表面张力有关，例如雨后草上的小水珠，昆虫在水面行走等。由于液体分子与分子之间的相互作用，使液体表面形成一层张紧的膜，其上作用着张力，叫做表面张力，实质上是分子间相互作用的宏观表现，是液体的重要性质之一，在工业生产和日常生活中，其应用广泛存在。测量液体表面张力系数是普通物理实验的基本项目之一[1-3]，是研究液体表面性质所要用到的物理量，不同种类的液体，张力系数α值不同，同一液体温度不同，α值也不同。因此，在测量α值时，必须注明在什么温度下进行的。测量方法一般有拉脱法、液滴法、毛细管法和最大泡压法等。

目前，高校开展的液体表面张力系数测定的实验，大部分采用的是上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的FD-NST-I型液体表面张力系数测定仪。该仪器有很多优点，但是在实验过程中仍然存在一些不足[4-8]，从而影响测量结果的准确性。本文设计了测量液体表面张力系数的实验装置，该装置利用电子天平测量液体表面张力系数的原理，并且弥补了上海复旦天欣科教仪器的不足。

1 液体表面张力系数实验仪的设计

液体表面张力系数测定仪，如图1所示,包括电子天平，三线调节吊环，升降调节手轮，固定架，玻璃器皿和防风罩。图2为液体表面张力系数测量仪的吊盘的俯视图。图3为水平检测装置。

图1 液体表面张力系数测定仪简图

图2 吊环俯视图

图3 水平检测装置

电子分析天平用来测量液体表面张力值的大小，其操作方便，称量准确。在使用FD-NST-I型液体表面张力系数测定仪进行实验时，首先是要对硅压力敏传感器进行定标，方法是将不同质量的砝码放到砝码盘上，测量出砝码质量与输出电压之间的关系。但在具体实验过程中发现，若要使挂钩处所受力的变化与电压成正比，其前提是砝码盘必须保持水平，而吊环的水平度是通过调节3根金属丝来实现的，用肉眼判断水平度是有偏差的；当学生将砝码摆放在砝码盘的不同位置时，力敏传感器的电压值读数也是不同的，这些都对定标过程产生影响。本文描述的装置则省去了定标过程。

液体容器是玻璃器皿，用来盛放待测液体，其容器壁上有温度计，可以显示液体的实际温度。

吊盘和吊环。吊盘在上，吊环在下，二者由3条无伸长柔软细绳联结而成，吊盘和吊环的系绳点构成等边三角形。吊盘每个系绳点有对应的绞线轴和第一锁紧螺栓控制，通过绞线轴可调节相应的绳长，从而调节下端吊环的水平度，调节好绳长后，用第一锁紧螺栓锁紧。下方吊环的上表面放置一个轻质塑料等边三角形薄板，在薄板中央放置有水准仪，用来检验吊环的水平度。此设计改进了FD-NST-I型液体表面张力系数测定仪吊环水平只能通过实验人员用肉眼来大致判断的问题。

固定架上安装一个利用螺纹咬合转动的升降调节手轮，带动吊环进行上下移动，从而使吊环的升降控制精确，拉膜过程稳定。

在电子天平和液体槽外加上一个透明塑料罩，避免液体和吊环因为外界影响而发生震动，造成的测量结果不准确。

2 利用液体表面张力系数实验仪测量的原理及方法

利用本仪器测量液体表面张力系数时，按下列步骤进行：

1)用游标卡尺测量金属吊环外径D1和内径D2，将吊环用NaOH溶液洗干净。首先将液体容器放置在电子天平上，在将待测液体放入容器内。为保证吊环和液面不受外界影响，把透明罩放置好，避免造成测量结果不准确的问题。

2)吊环调平：通过调节吊绳的长度，对吊环的水平度进行调节。具体可以通过转动调节杆释放绳子长度，或者收回绳子的长度，使得三根吊绳的长短一致。为检测吊环的水平度，可以在吊环上放置水平仪，观察水平仪中的小气泡，若小气泡位于水平仪的中央位置，说明吊环已经调整好，之后将第一锁紧螺栓锁紧。

3)测量：顺时针转动调节旋钮，使吊环完全浸没在待测液体中。

4)当吊环浸入液体中并达到稳定后，将电子天平读数设置为“0”，逆时针转动调节旋钮，使吊环平稳缓慢上升。当吊环上液膜刚拉断时，读出电子天平读数m值，则待测液体张力大小值为F=mg。

5)按上面的操作方法，进行多次测量，记录数据，并根据温度计记录液体温度t。

(6)利用计算张力理论公式F=π(D1+D2）α，求解在温度t时的表面张力系数α=mg/π(D1+D2）。

3 结语

在测量液体表面张力系数实验中，测量张力值是实验准确性的关键，利用FD-NST-I型液体表面张力系数测定仪测量时发现，吊环的水平度和拉膜过程中的震动对实验结果影响较大，而本文所描述的液体表面张力系数测定仪，巧妙运用电子天平避开了力敏传感器定标的问题，运用三线调节和水准仪改进了吊环装置，使用升降调节手轮解决了拉膜过程中震动的问题，增加防风罩防止外界空气流动的影响，使实验结果更加准确。