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液体表面张力系数测试仪的研制

时间:2024-05-22

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.

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