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摘要：基于国内液体表面张力系数测定仪的普遍缺陷，从更改吊环的平衡机制着手提高测量精度，采用自动温控仪控制被测液体的温度，实现了变温条件下的张力系数的研究，有较高的高校及工程实践推广价值。

关键词：表面张力、张力系数、吊环、自动温控

1 引言

国内外关于拉脱法测量液体表面张力系数实验的改进，在如何使圆环更加容易地与液面相切的改进上，主流做法是：把3根金属细丝换成3根韧性很好的轻质细线，让轻质细线上端固定打结，3根轻质细线与金属环分别用3个可旋转的螺丝连接﹐通过调节螺丝可以很方便的调节细线的长度，在细线打结的位置垂出另一根轻质细线，细线下方可悬挂一个小金属块，做成一个吊锤，可以通过观察吊锤是否垂直来调节细线的长度，从而达到使金属吊环调节水平的目的。在减少人为因素对实验的影响的改进上：采用虹吸的方法使液面在不需要人控制的情况下下降，从而与圆环分离或者使用步进电机使传感器与吊环能够更平缓的上下移动。

2 仪器改进的目的与意义

我们的目的是改进表面张力测量实验中存在的误差问题以及对该仪器进行多功能的改进。

传统实验过程中，我们通过调节旋钮来改变水平面高低，水平面越低，表面张力不断增大，直到液膜破裂。通过测量最大表面张力和液膜破裂时的电压差来计算处表面张力。但在实验过程中，我们可以明显的发现几个问题。手动调节液面下降时的摇晃导致水面不平引起力的测量不准确，吊着的圆环在空气中摇晃导致圆环与液面接触不均匀引起误差。原有的仪器靠肉眼判断液面脱离，液面脱离的瞬间很快，因此我们要尽量缩小液面脱离时的电压差。另外，我们还通过增加一些器件，达到多功能的使用。

液体的表面张力系数跟液体的种类、温度、纯度以及液面上方气体的成分有关，是表征液体性质的一个重要参数。液体表面张力对船舶制造、化学化土、建筑、水利等行业都有较大的影响，如表面张力对乳胶漆及其漆膜性能的影响，对混凝土断裂能及其应变软化的影响等。因此，准确的测量液体的表面张力系数具有非常重要的现实意义。我们的设计可以减小实验误差，使实验数据更接近于真实值。同时使实验过程更简单，直观。我们也可以通过增加的器件实现多种液体的表面张力的测量，探讨各种环境下对液面张力的影响。

3 项目的必要性和可行性：

测量液体表面张力系数的方法有很多，用力敏传感器测量液体表面张力系数由于其特有的优越性普遍地被各高校采用，但该实验无论是实验原理还是实验方法中都还有一定的问题值得讨论。所以我们有必要对该实验设备进行改进。我们通过在圆环上添加锥形重力配重，以及让容器改为环形，能够有效的让圆环尽可能地减小晃动直至可忽略晃动，这样就稳定了圆环和液面的接触，增加数据测量的准确性。另外，使用针管抽水的方法可以解决液面摇晃的问题，从而增加了这个实验过程中的稳定性。解决完该问题后，我们增加激光器等可以改变周围环境的器件，来观察液面张力因为环境改变的影响，所以对该实验设备的改进有望得到预期的效果。

4 项目的设计思想

在大学物理实验中，测定液体表面张力是本科生必做的实验内容，而现有的实验仪器则多少存在一些问题，最大的问题就是金属环于水面接触的时候会不平衡，导致一边的水膜先破裂，用超高速的摄影机拍摄很容易验证。因此我们的实验改进方向就是为了解决这个问题。

改进的核心思想主要集中在金属环改进部分，以及下方的旋钮平衡上面。

关于金属环改进，我们的方案是，用3D打印技术制作更精密的仪器解决实验仪器不够精确的问题。比如通过铅锤恒定水平面从而达到牵引金属环也达到水平，具体说，就是将铅锤和金属环做成完全垂直的一体，在上面用棉线挂在压力测试仪上，这样在静止放置的时候，只要保证金属环和下面的铅锤没有外力干扰保持绝对不动，那么铅锤就是绝对垂直水平面的，而与铅锤一体，且与之互相垂直的金属环自然也是绝对与水平面平行的。这样即可解决金属环容易歪的问题。

而在实际操作中我们还发现，下方的升降调节螺母需要学生动手去进行调节，但调节过程中会导致一定的扰动，也就是说，它上方的玻璃皿常常会因为下方的扭动而出现细微的颤动，这样在拉起液面的时候，液膜也会产生轻微的扰动，从而导致液膜因为外力干扰破裂，进而影响实验效果。我们设计了这样一种方案，即在玻璃皿下侧开一个孔洞，通过导出水流的方式去控制液面的下降，这样做就避免了学生在做实验时因为手的扭动造成实验误差。

5 项目的具体实施过程

该实验的改进我们主要分为两个部分，一是利用吊环和托盘，通过注射器使液体表面下降来测量液体表面张力系数，二是采用隔热材料测量不同温度下的液体表面张力。

本实验所需要的仪器有力敏传感器、吊环、托盘、注射器、软管、隔热膜、细线、温控实验仪等。

5.1第一部分实验：测量液体表面张力系数

5.1.1测量部件改进：建造模型如下图

采用较长的细杆连接一个较重的铅锤，将铅锤和金属环作为一体，那么器件的重量就集中在铅垂部分，最上面开了一个小孔，用棉线将铅锤悬挂起来。用重力来带动金属环水平，使它在自然的状态下绝对水平。让金属环在拉动的过程中四周尽可能同时脱离水面，达到水膜同时破裂的目的，以减小传统实验中金属环不水平而导致的液面不同时破裂从而带来的实验误差。

采用中空的形式让铅锤穿过托盘而不接触托盘，使铅锤垂直悬空，那么金属环也会水平。底部连接软管和注射器，通过缓慢的推动注射器，来达到液面的升降，我们在中间加了两个隔层，第一层上开了四个小孔，再铺上一层过滤网，来防止注射器抽水时水面造成的涡流，影响水面的平衡。该方法减小了传统升降调节螺母手动调节带来一定的颤动，使液面提前破裂的影响。

通过3D打印技术将模型打印出实物图，与图纸符合度高。

5.1.2微小力测量仪改进

我们将一个经过改装的数字电压器和一个多圈电位器，两套装置通过力敏传感器的信号接入连接在一起，成功测量出液面张力电压的变化。

测量装置改进

5.1.3实验步骤与数据

（1）力敏传感器的定标

①打开仪器的电源开关，将仪器预热。在传感器梁端头小钩中挂上砝码盘，调节调零旋钮，使数字电压表显示。②在砝码盘上分别加0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g等质量的砝码，记录在相应砝码力F作用下数字电压表的读数值U，填入表1。③用最小二乘法作直线拟合，求出传感器灵敏度K。

（3）液体的表面张力系数测量

①将橡胶吊环用细绳穿过挂在传感器的小钩上，托盘放在置物架上，连接好胶管和注射器。调节传感器挂钩的位置，将吊环的下沿靠经液面，观察橡胶吊环下沿与待测液面是否平行，整体实验如图所示。

②缓慢推动注射器，使其液面渐渐上升，将吊环的下沿部分全部浸没于待测液体，然后反向推动注射器，使液面逐渐下降，这时，橡胶圆形环片和液面间形成一环形液膜，继续下降液面，通过力敏传感器测出环形液膜即将拉断前-瞬间数字电压表读数值和液膜拉断后一瞬间数字电压表读数值，填入表2。

此外，我们调研了2021年秋季相关的实验数据，随机选取了40位同学的实验报告，查看他们采用传统仪器测得的液体表面张力系数，求得了一个平均值。由此可以看出该改进方法大大的提高了圆环的水平性，减少了手动调节带来一定颤动的人为因素的影响，在很大程度上降低了实验的误差。

5.2 实验第二部分：测量不同温度下的液体表面张力

5.2.1 实验模型：

（1）3D建模图，我们在原来的基础上增加了两个排水孔，采用三个排水空，一个用以连接软管和注射器，其他两个用来连接温控实验仪上的进水处和出水处，用来达到加热水温和控温的目的。

（2）实物图，此外我们在托盘、软管和注射器外面都加了一层隔热膜，减少散热，尽量达到恒温。

5.2.2 实验过程

将吊环、托盘、力敏传感器、温控实验仪连接好，重复第一部分的步骤，测量在20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃等不同温度下水的表面张力系数，观察它在不同温度下有何不同，实验如图所示。

该实验由于时间原因，只做单温实验，检验他的可行度，并没有进行实际在不同温度下液体表面张力系数测定的实验，没有得到相关的数据，希望有机会将这个想法完善，完整的测出不同温度下的表面张力系数的数据，得到结果。

6 改进后仪器的特色、创新点与推广价值

特色：实验采用生活中常见的铅锤与水平面绝对平行这一物理常识去进行液体表面张力实验仪器的更改，这在该实验项目领域的更改中是第一次，而且就具体实验项目来说，可复制条件是相对比较简单的。

创新点：更改金属环的结构，使其在自然状态下绝对平行于水平面；更改玻璃皿的结构从而避免实验操作时需要人手去进行液面的控制，保证了液膜的稳定；更改了力敏传感器的测定范围，以适配更改后的实验仪器；更改了实验时只能测定固定水温这一局限，增加了实验的意义；

推广价值：本实验的特点是采用日常生活中常用的方式去控制实验中的变量，即通过铅锤与水平面绝对平行这一物理常识进行仪器的更改。实验思想简单易懂，且对于实验目的来说，这种方式的可行性是很高的，本科生通过简单的建模即可制作出可行的实验器材，从而达到实验目的。而更改后的实验仪器不仅操作更加稳定，不易受实验者这一变量影响，并且简单易懂，有利于实验更深更广的传播，也能在一定程度上激发同学们对物理的兴趣。

参考文献：

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[2]蔡亮，吕爱华.基于自制液体表面张力教具的实验改进与创新[J].物理教学，2019，41（02）：28-30.

[3]刘静，朱泽斌，卞琦琦等.对液体表面张力系数测量的改进[J].大学物理实验，2018，31（01）：16-18.

[4]言秋莉，李丹，唐玉梅.拉脱法测液体表面张力系数实验的改进[J].实验科学与技术，2013，11（02）：19-21.

[5]代伟，徐平川，陈太红等.液体表面张力系数实验装置的改进[J].大学物理，2011，30（09）：38-40.

基金项目：西南科技大学实验技术研究项目（21syjs-24），西南科技大学素质类教改（青年发展研究）专项（21szjg11），教育部大中教育教学研究课题（wx202205），西南科技大学教改项目（19xn0041、22xn0030）。