CN102564907B - 液体表面张力动态测量实验仪及测量方法 - Google Patents
液体表面张力动态测量实验仪及测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种液体表面张力动态测量实验仪及测量方法。主机的面板上左侧设有气泡瞬时压强指示表，主机的面板上右侧上部顺次设有计时显示窗、温度显示窗，主机的面板上右侧下部顺次设有复位开关、计时或暂停开关、气泵控制按钮、测量控制按钮、数据采集器USB插口，主机上表面设有加热垫、齿轮轨道，加热垫设有加热垫电源开关，加热垫上方设有测量烧杯，齿轮轨道上设有标尺、手动升降齿轮，手动升降齿轮上设有测量室，测量室表面设有气体流量计、气流量调节旋钮，测量室外侧下端设有温度计、第一毛细管、第二毛细管，悬空在测量烧杯上方。本发明将检测气泡形成、长大和破灭过程中气泡内压强变化与时间的关系，得到与真实表面张力系数相当的数值。
Description
技术领域
本发明涉及物理实验仪及测量方法，尤其涉及一种液体表面张力动态测量实验仪及测量方法。
背景技术
表面张力是液体表面的重要特性。它类似于固体内部的拉伸应力，这种应力存在于极薄的表面层内，是液体表面层内分子力作用的结果。在宏观上，液体的表面就像一张拉紧了的橡皮薄膜，存在有沿着表面并使表面趋于收缩的应力，这种力称为表面张力。液体的许多现象与表面张力有关例如毛细现象、润湿现象、泡沫的形成等），工业生产中的浮选技术、动植物体内液体的运动、土壤中水的运动等也都与液体的表面现象有关，此外，在船舶制造、水利学、化学化工、凝聚态物理中都有它的应用 。因此，研究液体的表面张力，可为工农业生产、生活及科学研究中有关液体分子的分布和表面的结构提供有用的线索。
液体表面张力系数测量是大学物理实验教学内容之一，但目前使用的实验方法和手段均基于静态法原理设计，如毛细管上升法、拉脱法、悬滴法、滴体积法、最大气泡压力法等。基于“气泡幅频当量法” 原理设计的动态液体表面张力测量实验仪及测量方法，将现代测量技术与大学物理实验教学紧密结合，提高了教学水平和教学质量。
发明内容
本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种液体表面张力动态测量实验仪及测量方法。
液体表面张力动态测量实验仪包括测量室、齿轮轨道、手动升降齿轮、标尺、主机、温度显示窗、 数据采集器USB插口、 测量控制按钮、气泵控制按钮、计时或暂停开关、复位开关、计时显示窗、气泡瞬时压强指示表、加热垫、测量烧杯、温度计、气流量调节旋钮，气体流量计、第一毛细管、第二毛细管和加热垫电源开关；主机的面板上左侧设有气泡瞬时压强指示表，主机的面板上右侧上部顺次设有计时显示窗、温度显示窗，主机的面板上右侧下部顺次设有复位开关、计时或暂停开关、气泵控制按钮、测量控制按钮、数据采集器USB插口，主机上表面设有加热垫、齿轮轨道，加热垫设有加热垫电源开关，加热垫上方设有测量烧杯，齿轮轨道上设有标尺、手动升降齿轮，手动升降齿轮上设有测量室，测量室表面设有气体流量计，气流量调节旋钮，测量室外侧下端设有温度计、第一毛细管、第二毛细管，悬空在测量烧杯上方。
液体表面张力动态测量方法的步骤如下：
1）将装有水的测量烧杯放在加热垫上，通过手动升降齿轮将温度计、第一毛细管、第二毛细管组成的测量探头插入水中某一深度，打开加热垫电源，对水进行加温；打开气泵控制按钮，通过计时或暂停开关、计时显示和气流量调节，使第一毛细管端部冒出的气泡数每分钟5～6个后气流量固定，打开测量控制按钮，气泡内压强变化通过微差压传感器检测后经数据采集器USB插口输入计算机，计算机数据采集软件将实时采集气泡内压强数据并显示压强变化波形，分别保存相应水温下气泡内压强数据和波形图；通过分析和处理计算机采集保存后的压强变化数据和波形图，得到对应水温下气泡内压强变化平均幅值 和气泡生成平均周期，结合水的已知表面张力系数，建立气泡幅频当量法数学模型公式。
2）将装有待测液体的测量烧杯放在加热垫上，通过手动升降齿轮将温度计、第一毛细管、第二毛细组成的测量探头插入待测液体中，插入深度与步骤1）相同，打开气泵控制按钮，打开测量控制按钮，气泡内压强变化通过微差压传感器检测后经数据采集器USB插口输入计算机，计算机数据采集软件将实时采集气泡内压强数据并显示压强变化波形，保存压强数据和波形图；通过分析和处理计算机采集保存后的数据和波形图，可得到相应实验条件下气泡内压强变化平均幅值
和气泡生成平均周期
，通过气泡幅频当量法数学模型公式，计算出该液体的表面张力系数。
所述的建立气泡幅频当量法数学模型公式为：
（1）
式中：
为液体当量表面张力系数，
为气泡内压强变化幅值，
为气泡生成周期， 、
、
为修正系数。
本发明在实验教学中可开展的实验内容丰富，例如，探索和研究毛细管插入液面深度对气泡内压差
和气泡生成周期
的关系；建立表面张力系数气泡幅频当量法数学模型公式；研究不同物质水溶液的表面张力系数与温度的变化关系并与水进行比较；研究不同物质水溶液浓度的变化与表面张力系数的关系等，紧密结合了现代科学技术，可拓展学生的知识面，提高物理实验教学质量。
附图说明
图1 是液体表面张力动态测量实验仪器结构示意图；
图2是气泡内压强变化与时间关系图；
图3 是毛细管插入深度与气泡压强关系图；
图4是 毛细管插入深度与气泡周期关系图；
图5 是 溶液表面张力系数与温度关系曲线图；
图中，测量室1、齿轮轨道2、手轮3、标尺4、主机5、温度显示窗6、 数据采集器USB插口7、 测量控制按钮8、气泵控制按钮9、计时或暂停开关10、复位开关11、计时显示窗12、气泡瞬时压强指示表13、加热垫14、待测液体烧杯15、温度计16、气流量调节旋钮17 气体流量计18、 第一毛细管19、 第二毛细管20、 加热垫电源开关21。
具体实施方式
如图1所示，液体表面张力动态测量实验仪包括测量室1、齿轮轨道2、手动升降齿轮3、标尺4、主机5、温度显示窗6、 数据采集器USB插口7、 测量控制按钮8、气泵控制按钮9、计时或暂停开关10、复位开关11、计时显示窗12、气泡瞬时压强指示表13、加热垫14、测量烧杯15、温度计16、气流量调节旋钮17，气体流量计18、第一毛细管19、第二毛细管20和加热垫电源开关21；主机5的面板上左侧设有气泡瞬时压强指示表13，主机5的面板上右侧上部顺次设有计时显示窗12、温度显示窗6，主机5的面板上右侧下部顺次设有复位开关11、计时或暂停开关10、气泵控制按钮9、测量控制按钮8、数据采集器USB插口7，主机5上表面设有加热垫14、齿轮轨道2，加热垫14设有加热垫电源开关21，加热垫14上方设有测量烧杯15，齿轮轨道2上设有标尺4、手动升降齿轮3，手动升降齿轮3上设有测量室1，测量室1表面设有气体流量计18，气流量调节旋钮17，测量室1外侧下端设有温度计16、第一毛细管19、第二毛细管20，悬空在测量烧杯15上方。
液体表面张力动态测量方法的步骤如下：
1）将装有水的测量烧杯15放在加热垫14上，通过手动升降齿轮3将温度计16、第一毛细管19、第二毛细管20组成的测量探头插入水中某一深度，打开加热垫电源21，对水进行加温；打开气泵控制按钮9，通过计时或暂停开关10、计时显示12和气流量调节17，使第一毛细管19端部冒出的气泡数每分钟5～6个后气流量固定，打开测量控制按钮8，气泡内压强变化通过微差压传感器检测后经数据采集器USB插口7输入计算机，计算机数据采集软件将实时采集气泡内压强数据并显示压强变化波形，分别保存相应水温下气泡内压强数据和波形图；通过分析和处理计算机采集保存后的压强变化数据和波形图，得到对应水温下气泡内压强变化平均幅值和气泡生成平均周期
，结合水的已知表面张力系数，建立气泡幅频当量法数学模型公式。
2）将装有待测液体的测量烧杯15放在加热垫14上，通过手动升降齿轮3将温度计16、第一毛细管19、第二毛细管20组成的测量探头插入待测液体中，插入深度与步骤1相同，打开气泵控制按钮9，打开测量控制按钮8，气泡内压强变化通过微差压传感器检测后经数据采集器USB插口7输入计算机，计算机数据采集软件将实时采集气泡内压强数据并显示压强变化波形，保存压强数据和波形图；通过分析和处理计算机采集保存后的数据和波形图，可得到相应实验条件下气泡内压强变化平均幅值和气泡生成平均周期
，通过气泡幅频当量法数学模型公式，计算出该液体的表面张力系数。
本发明的液体表面张力动态测量原理为：
将毛细管插入液体中，该毛细管另一头接一个三通，三通一路接气流量可调的气源，可向液体吹气，每秒钟吹若干个气泡。三通另一路接传感器的正压端，传感器的负压另接一根毛细管直接插入液体。微差压传感器即可检测气泡不断形成、长大和破灭过程中气泡内压强变化，可获得1条等幅振荡曲线。图2 即为实验获得的气泡内压强变化与时间关系曲线。图中b、c两点分别对应气泡即将脱离管口和气泡曲率半径最小，即气泡压强最小和最大的两种状态。该曲线的纵坐标为气泡内压强值，横坐标为时间，表示气泡形成的速度。由于气泡的压强差和气泡形成速度与液体表面张力系数密切相关，因此，可以根据曲线的振幅和频率求解出一个与真实表面张力系数相当的数值，称之为当量表面张力系数。由于该方法是以一定时间内所形成的气泡压强幅值和频率为测量参数来求解当量表面张力系数，故称为“气泡幅频当量法 ”。
所述的建立气泡幅频当量法数学模型公式为：
式中：
为液体当量表面张力系数，
为气泡内压强变化幅值，
为气泡生成周期， 
、
、
为修正系数。
实验可以得出，在气流量不变的条件下，毛细管插入越深，测得的越小，而气泡生成的周期
越大，反之亦然。因此毛细管入深度所带来的影响是互补的。如果实验测量时保持毛细管的插入深度不变，即可消除其对表面张力计算产生的影响。温度对液体表面张力有不同程度的影响，在测定表面张力的同时，必须给出温度参数。
本发明采用计算机进行数据采集和处理，包括了传感器，信号处理，计算机组成的现代测量技术的许多基础知识以及用计算机处理实验数据的一些基本方法。
实施例1
1）将装有水的测量烧杯15放在加热垫14上，通过手动升降齿轮3将温度计16、 第一毛细管19、 第二毛细管20组成的测量探头插入水中某一深度，打开加热垫电源21，对水进行加温；打开气泵控制按钮9，通过计时或暂停开关10、计时显示12和气流量调节17，使第一毛细管19端部冒出的气泡数每分钟5～6个后气流量固定，打开测量控制按钮8，气泡内压强变化通过微差压传感器检测后由数据采集器USB插口7输入计算机，计算机数据采集软件可实时显示气泡内压强变化波形，分别保存相应水温下气泡内压强数据和波形图；通过分析和处理计算机采集保存后的压强数据和波形图，得到对应水温下气泡内压强变化平均幅值
和气泡生成平均周期，结合水的已知表面张力系数，建立气泡幅频当量法数学模型公式：
式中：为液体当量表面张力系数，
为气泡内压强变化幅值，
为气泡生成周期， 
、
、
为修正系数。
2）将装有待测液体的测量烧杯15放在加热垫14上，通过手动升降齿轮3温度计16、第一毛细管19、第二毛细管20组成的测量探头插入待测液体中，插入深度与步骤1中相同，打开气泵控制按钮9，打开测量控制按钮8，气泡内压强变化通过微差压传感器检测后由数据采集器USB插口7输入计算机，计算机的数据采集软件可显示和保存压强数据和波形图；通过分析和处理计算机采集保存后的数据和图形，可得到相应实验条件下气泡内压强变化平均幅值
和气泡生成平均周期
，通过已建立的气泡幅频当量法数学模型公式，计算出该液体的表面张力系数。
实施例2 探索和研究毛细管插入液面深度对气泡内压差和气泡生成周期
的关系。
实验数据：气流量保持一定
毛细管插入深度 |
1.0 | 2.0 | 3.0 | 4.0 | 5.0 |
 |
3.87 | 3.74 | 3..72 | 3.67 | 3.63 |
  |
147.2 | 151.2 | 152.8 | 152.0 | 154.4 |
从图3、图4中可以看出，在气流量不变的条件下，毛细管插入越深，测得的气泡内压强差
越小，而气泡生成的周期
越大，反之亦然。因此毛细管入深度所带来的影响是互补的。实施步骤与实施例1相同。
实施例3 用水的已知表面张力系数建立气泡幅频当量法数学模型公式，确定公式： 中的系数
、
、
。
实验数据：气流量一定、毛细管插入深度一定
水的温度 |
21 | 25 | 30 | 35 |
 |
3.75 | 3.71 | 3.64 | 3.57 |
  |
152.7 | 150.0 | 147.7 | 147.0 |
已知表面张力系数 |
72.59 | 71.97 | 71.18 | 70.38 |
根据以上数据建立的气泡幅频当量法数学模型公式为：
该公式可用于在相同实验条件下气流量、毛细管插入深度，获得
和
后表面张力系数的计算。实施步骤与实施例1相同。
实施例4 研究不同物质水溶液的表面张力系数
实验数据：气流量一定、毛细管插入深度一定。
1）饱和盐溶液
2）饱和糖溶液
3）肥皂水溶液
从实验数据和图5结果看出，饱和糖溶液和饱和盐溶液表面张力系数大于自来水的表面张力系数，而肥皂水表面张力系数比自来水小。实施步骤与实施例1相同。
Claims (1)
1.一种液体表面张力动态测量实验仪，其特征在于包括测量室（1）、齿轮轨道（2）、手动升降齿轮（3）、标尺（4）、主机（5）、温度显示窗（6）、 数据采集器USB插口（7）、 测量控制按钮（8）、气泵控制按钮（9）、计时或暂停开关（10）、复位开关（11）、计时显示窗（12）、气泡瞬时压强指示表（13）、加热垫（14）、测量烧杯（15）、温度计（16）、气流量调节旋钮（17），气体流量计（18）、第一毛细管（19）、第二毛细管（20）和加热垫电源开关（21）；主机（5）的面板上左侧设有气泡瞬时压强指示表（13），主机（5）的面板上右侧上部顺次设有计时显示窗（12）、温度显示窗（6），主机（5）的面板上右侧下部顺次设有复位开关（11）、计时或暂停开关（10）、气泵控制按钮（9）、测量控制按钮（8）、数据采集器USB插口（7），主机（5）上表面设有加热垫（14）、齿轮轨道（2），加热垫（14）设有加热垫电源开关（21），加热垫（14）上方设有测量烧杯（15），齿轮轨道（2）上设有标尺（4）、手动升降齿轮（3），手动升降齿轮（3）上设有测量室（1），测量室（1）表面设有气体流量计（18），气流量调节旋钮（17），测量室（1）外侧下端设有温度计（16）、第一毛细管（19）、第二毛细管（20），悬空在测量烧杯（15）上方。
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| 高桂丽等."常温液体粘度-密度-表面张力多参数快速测试仪的研制".《仪器仪表学报》.2007,第28卷(第7期),第1332-1336页. |
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