張一+莫皓云+黃昱璋+陳文鑫

摘 要：本文利用拉脫法測量純凈水和乙醇溶液的液體表面張力。用傳統(tǒng)實驗方法測量液體表面張力時，由于需要人工觀察液面斷開瞬間力傳感器的讀數(shù)，給實驗帶來較大誤差。本文采用DIS實時、精確地測量液體的溫度與液體表面張力的大小，實驗方法簡單易行，測量結(jié)果更為準確。

關(guān)鍵詞：DIS；拉脫法；液體表面張力；實驗設(shè)計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）1-0056-3

1 引 言

液體表面張力是液體一個重要的物理性質(zhì)，是高中物理教材中重要的教學(xué)內(nèi)容。溫度和液體濃度是影響液體表面張力系數(shù)的重要因素。液體表面張力在工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、物理化學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)研究和日常生活中有著重要的應(yīng)用，如工業(yè)技術(shù)中的浮選技術(shù)和液體輸送技術(shù)等。中學(xué)教材中并未對液體表面張力的大小進行定量測量，對影響液體表面張力大小的因素也沒進行探討。液體表面張力測定的實驗方法有毛細管上升法、Wilhelmy盤法、懸滴法、滴體積法、最大氣泡壓力法。拉脫法是傳統(tǒng)測量液體表面張力的實驗方法，但該方法需要實驗操作者通過人眼判斷液膜拉斷這一瞬間力敏傳感器的讀數(shù)，誤差較大。本文將DIS與傳統(tǒng)實驗相結(jié)合，用DIS的壓力傳感器和溫度傳感器每0.01 s對力與溫度采集一次數(shù)據(jù)，實現(xiàn)液體表面張力的精確測量。[1]

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗儀器與裝置

實驗器材：實驗裝置示意圖和實物圖如圖1、圖2所示。1—朗威DIS力傳感器，2—有機玻璃塊，3—玻璃器皿，4—升降調(diào)節(jié)螺絲，5—底座，6— 計算機，7—溫度傳感器等。

DIS（Digital Information System）相比于其他系統(tǒng)的優(yōu)點在于其性能穩(wěn)定、精度高、重復(fù)性好、數(shù)據(jù)收集處理容易。溫度傳感器中的熱電阻由鉑金屬制成，傳感器的金屬管內(nèi)充滿導(dǎo)熱硅脂，便于外界溫度通過金屬管傳遞到鉑電阻。力傳感器是將力的大小轉(zhuǎn)換為電信號的儀器。工作原理是先通過內(nèi)部的懸梁臂將力學(xué)量轉(zhuǎn)換成金屬的應(yīng)變，然后由傳感元件將這種應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電學(xué)量，完成“力—電”的轉(zhuǎn)換。

2.2 實驗原理分析

當金屬吊環(huán)底面與液面齊平或略高時，由于液體表面張力的作用，吊環(huán)內(nèi)外壁會帶起一部分液體。如圖3所示，平衡時吊環(huán)重力mg、向上的拉力F與液體表面張力有如下關(guān)系：

F=mg+fcosθ（1）

當金屬吊環(huán)脫離液體表面的過程中，接觸角θ逐漸減小并趨近于零。在吊環(huán)臨界脫離液體時，θ≈0，即cosθ≈1，則平衡條件近似為：

F=mg+f（2）

3 實驗步驟

（1）探究純凈水溫度與液體表面張力的關(guān)系

①調(diào)節(jié)底座水平調(diào)節(jié)螺釘使測試底座處于水平狀態(tài)，調(diào)節(jié)升降調(diào)節(jié)螺釘使托盤降到最低，把玻璃器皿放在托盤上。

②打開DIS系統(tǒng)的軟件，連接力傳感器和溫度傳感器，將力傳感器固定在支架上，掛上制作好的有機玻璃板，并在電腦上調(diào)零。溫度傳感器不必調(diào)零。

③將50 mL的純水加入到玻璃器皿中，調(diào)整升降調(diào)節(jié)螺釘使純水液面將有機玻璃板底面完全浸沒。

④在DIS的數(shù)據(jù)收集頁面中，設(shè)置收集數(shù)據(jù)個數(shù)及采樣頻率，因為調(diào)節(jié)升降調(diào)節(jié)螺釘使液面與有機玻璃板完全脫離需要一定的時間，所以設(shè)定采樣數(shù)為4 000，采樣頻率為1 kHz。

⑤將溫度傳感器置于純水中（不可觸碰到玻璃器皿底部），在數(shù)據(jù)開始收集后，緩慢地調(diào)節(jié)升降調(diào)節(jié)螺釘，使液面與有機玻璃板完全分離。

⑥分析處理并記錄數(shù)據(jù)，取計算機收集的最大受力數(shù)據(jù)和其對應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)（2組取平均值）。

⑦往玻璃器皿中加入適量的冷水（熱水），起到降溫（升溫）的作用，重復(fù)上述步驟，收集記錄數(shù)據(jù)。

（2）探究乙醇溶液濃度與表面張力的關(guān)系

①～⑥步跟探究（1）的操作方法相同。

⑦用量筒逐次將10 mL的無水乙醇加入到50 mL的純水中，重復(fù)上述步驟，收集記錄數(shù)據(jù)。

4 測量實驗數(shù)據(jù)記錄及處理（如表1、表2）

根據(jù)表1和表2可得純凈水液體表面張力大小與溫度關(guān)系曲線圖及酒精溶液濃度與表面張力大小關(guān)系圖，如圖4、圖5所示。

5 分析與結(jié)論

1.液體表面張力與溫度成反比關(guān)系，溫度越高，表面張力系數(shù)越小，近似地為線性關(guān)系。

當液體溫度升高，分子的平均動能勢必增大。根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律，液體分子熱運動的能量分配應(yīng)遵從麥克斯韋統(tǒng)計分布。當液體溫度升高時，具有較大能量的分子數(shù)比率增大，達到蒸發(fā)態(tài)能量的分子數(shù)增多，蒸發(fā)速度加快，同時，液體內(nèi)部的分子平均振幅增大，具有振幅超過而又未達到蒸發(fā)程度的分子數(shù)目也增多。所以，液體表面層分子平均密度更小，平均距離更大的分子數(shù)增多，分子的平均引力優(yōu)勢反而減小。因此，隨著溫度升高液體的表面張力反而減小。

2.液體表面張力與濃度成反比關(guān)系，濃度越高，表面張力系數(shù)越小。但從數(shù)據(jù)表面來看，變化不是十分明顯，但總體還是隨濃度升高呈下降趨勢（在室溫下）。

參考文獻：

[1]陳曉莉.普通物理實驗[M].重慶：西南師范大學(xué)出版社，2011：092.

[2]譚興文.液體表面張力系數(shù)與溫度關(guān)系的試驗研究[J].西南師范師范大學(xué)學(xué)報，2007，32（8）：115-118.endprint