CN104390889B - 带刻度透明玻璃管测量液体表面张力的方法 - Google Patents

Abstract

带刻度透明玻璃管测量液体表面张力的方法涉及物理参数的测量，技术方案是，一根透明玻璃管，外侧有一个毫米刻度尺，毫米刻度尺的0刻度线位于透明玻璃管的一端管口；一个洗耳球，由气囊和气囊口组成，气囊口紧密套在透明玻璃管的毫米刻度尺的0刻度所在的一端，挤压洗耳球的气囊，将部分液体吸入透明玻璃管形成液柱，将透明玻璃管竖直固定在一个支架上；移除透明玻璃管下端的洗耳球，则透明玻璃管内部的液柱将下移；将输液管的开口端伸入到透明玻璃管的液柱内，缓缓地向透明玻璃管内注入液体，直到观察液柱的高度不再上升，记录高度h，则液体的表面张力系数σ=d*h*ρ*g/4。有益效果：有利于对表面张力在玻璃管内部和管口变现的清晰认识。

Description

带刻度透明玻璃管测量液体表面张力的方法

技术领域

本发明涉及物理参数的测量，特别是液体表面张力系数的测量。

背景技术

测量液体表面张力系数的方法常见的有：最大气泡压法，毛细管法，拉脱法等，测量方法要么装置比较复杂，比如最大气泡压法、拉脱法；要么测量的精度不高，毛细管法虽然简单，但是液面弯曲，测量液柱的高度不够准确，由于毛细管外侧的液面也沿着毛细管外侧的管壁上升，因此，在确定液面的水平位置的坐标值比较困难，从而导致确定毛细管内侧的液柱的高度差比较困难。

发明内容

本发明提出一种新型的表面张力测量方法，属于改进型的毛细管法测量液体表面张力。

技术方案是：带刻度透明玻璃管测量液体表面张力的方法，其特征是：一根透明玻璃管，其管壁厚度为2-5毫米，透明玻璃管的外侧沿着透明玻璃管长度方向有一个毫米刻度尺，毫米刻度尺的0刻度线位于透明玻璃管的一端管口；一个洗耳球，由气囊和气囊口组成，弹性的洗耳球的气囊口能够扩展到与透明玻璃管的外径一样大，通过洗耳球的弹性，气囊口紧密套在透明玻璃管的毫米刻度尺的0刻度所在的一端，将透明玻璃管的一端密封，透明玻璃管另一端伸入液体中，挤压洗耳球的气囊，然后放开，气囊的回弹，将部分液体吸入透明玻璃管形成液柱，使洗耳球位于透明玻璃管的下端、将透明玻璃管竖直固定在一个支架上；移除透明玻璃管下端的洗耳球，则透明玻璃管内部的液柱将下移，在透明玻璃管的管口受到表面张力作用，当初始液柱的重量大于液体的表面张力，液柱将掉落一部分液滴，直到液柱的重量等于液体的表面张力，如果初始液柱的重量小于液体的表面张力，则液柱的液体不会掉落；将输液管的开口端伸入到透明玻璃管的液柱内，缓慢打开输液管的开关，缓缓地向透明玻璃管内注入液体，使液柱缓慢上升，并注意记录液柱所在的毫米刻度尺的读数，此处所指的缓慢是液柱上升的速度在0.5-2mm/分钟；通过输液管继续向透明玻璃管内注入液体，随着液体的增加，表面张力不足以托住更长的液柱，则液柱将不再上升，透明玻璃管（1）管口的液滴开始变大，记录此时液柱高度h，则表面张力为π*d*σ，其中圆周率π=3.14159，d为透明玻璃管内径，σ为表面张力系数；液柱产生的重力为π*（d/2）²*h*ρ*g，其中ρ为液体的密度，g为重力加速度，则π*d*σ=π*（d/2）²*h*ρ*g，则液体的表面张力系数σ=d*h*ρ*g/4，液柱高度h根据现有技术修正为h+r/3，则修正后的σ=d*（h+r/3）*ρ*g/4；液柱高度h在本发明中根据实验现象的总结，修正为h+r，则修正后的σ=d*（h+r）*ρ*g/4。

有益效果：在液体的表面张力不能托住液柱时，随着液体的注入，液面不再升高，注入的液体向下渗出，透明玻璃管下端的液滴增大，直到液滴的表面张力不能托住液滴时，液滴发生脱落；本方法简单，测量成本低廉；同时，液滴的增大、脱离，然后玻璃管端面变平，有利于学生对表面张力在玻璃管内部和管口变现的清晰认识，从而更清晰地认识表面现象。

附图说明

图1是带刻度的透明玻璃管，图2是带开关的输液管，图3是大口径洗耳球，图4是连接示意图。

其中，1、透明玻璃管，2、刻度尺，3、输液管，4、开关，5、气囊，6、气囊口。

具体实施方式

一根透明玻璃管1，其管壁较厚，在2毫米以上，建议在2-5毫米，透明玻璃管1的外侧沿着透明玻璃管1的轴线方向（长度方向）有一个毫米刻度尺2，毫米刻度尺2的0刻度线位于透明玻璃管1的一端管口，即毫米刻度尺2的0刻度线与透明玻璃管1的一端管口平面平齐；一个洗耳球，与普通的洗耳球结构一致，由气囊5和气囊口6组成，只是洗耳球的气囊口6与透明玻璃管1的外径基本一样大，通过洗耳球的弹性，气囊口6紧密套透明玻璃管1的毫米刻度尺2的0刻度所在的一端，将透明玻璃管1的一端密封，透明玻璃管1另一端伸入液体中，挤压洗耳球的气囊5，然后放开，气囊5的回弹，将吸引部分液体进入透明玻璃管1，然后将透明玻璃管1竖直固定在一个支架上，实现将透明玻璃管1竖直固定有很多的方法可以实现（比如由厂家设计一个带双夹具的支撑架，调节支撑架底座水平，底座水平时，设计成两个圆形夹具的圆心处于铅垂线上），属于现有技术的范畴，不在此处详细叙述。

移除透明玻璃管1下端的洗耳球，则透明玻璃管1内部的液柱将下移，在透明玻璃管1的管口受到表面张力作用，将不会全部掉落。

一个输液管3，其外径在1mm左右，可以采用医院的输液装置，将输液管3的开口端伸入到透明玻璃管1的液柱内，缓慢打开输液管3的开关4，缓缓地向透明玻璃管1内注入液体，使液柱缓慢上升，并注意记录液柱上端凹面所在的毫米刻度尺2的读数，此处所述的缓慢是指液柱上升的速度比较慢，从而输液管3的液体输入对液柱的影响能够忽略，其缓慢程度同时受实验人员的忍受程度有关，比较理想的是液柱上升的速度在1mm/分钟左右，比如0.5-2mm/分钟；需要注意一点，液面一般是弯曲的，中间低、边缘高，液柱的高度h为管口平面（0刻度）到液柱上端弯曲面底部的距离（从透明玻璃管1的刻度尺2读出），对于弯曲面液体部分，有一种修正方法是将弯曲部分作为半球面近似，则该部分液体的体积为πr²*r-2πr³/3=πr³/3，其中πr²*r表示假定没有弯曲面，该部分的面积为πr²、高度为r、体积为πr²*r，作半球面近似，则半球面围成的体积为2πr³/3，因此液体体积的修正量为πr³/3=πr^2*（r/3），因此液柱高度修正值为r/3，即液柱的高度修正为h+r/3。

通过输液管3继续向透明玻璃管1内注入液体，随着液体的增加，表面张力不足以托住液柱，则液柱不再上升，此时液柱高度为h，透明玻璃管1底部的液滴开始变大，当液滴的表面张力不能约束液滴，则液滴掉落。

表面张力为π*d*σ，其中圆周率π=3.14159，d为透明玻璃管内径(d=2r)，σ为液体的表面张力系数；液柱产生的重力为π*（d/2）²*h*ρ*g，其中ρ为液体的密度，g为重力加速度，则π*d*σ=π*（d/2）²*h*ρ*g，则σ=d*h*ρ*g/4。

比如纯水在25摄氏度的σ=0.0721N/m，N/m为“牛顿/米”，假定d=3mm=0.003m，ρ估计为1000Kg/m³，g估计为10N/Kg，d*ρ*g/4=7.5N/m²，则液柱的高度h=(0.0721 N/m )/( 7.5N/m²)=0.0096 m=9.6 m m，液柱高度9.6 m m，接近10mm，为可测量。

实验：一个滴定管，0.1-1.0毫升对应的长度为14cm，计算出内部直径为2.88mm，0.1毫升刻度以下的部分管径逐渐变小，开口端管径大致1mm，0.1毫升刻度以上部分直到上端开口，管径均匀，将管径均匀端插入水容器中，拇指按住滴定管的尖端，微微移开拇指后迅速按住滴定管的尖端，减少水滴运动的惯性，从而减少误差，在环境温度大约15摄氏度的时候，测量到了大约10mm的滞留水柱（与理论计算的10mm基本一致）。通过多次实验，发现滴定管底部的液滴有时大、有时小，滴定管内部的液柱高度并没有变化，也就是说液滴的一部分应该属于滴定管内侧的表面张力能够拉住的液体，只是由于重力作用导致液面向下弯曲，从多次实验观察，该弯曲部分与滴定管内部的弯曲形状相同，也就是说，滴定管下端液滴的弯曲部分能够弥补滴定管内侧液柱上端的弯曲面，因此液柱的长度为滴定管管口到滴定管液柱上端液面与管壁接触处的距离，由于不便于观察，参考前面的修正描述，先测量滴定管管口到液面弯曲面底部的高度h以及内径d（对于其它玻璃管，内径的数值可以从厂家获取），液柱能够修正为h+d/2或者记为h+r。对于滴定管下端的液滴有时比较大，应该理解为：当液滴的重力大于管口表面张力，成为一个液滴滴落；当液滴的重力小于管口表面张力，则该部分液体能够被管口的表面张力束缚，该部分液体体积小于一个液滴的大小。

在本发明中，为减少液柱下降的运动惯性对实验结果的影响能够采用的方法有：第一点，在移除透明玻璃管1零刻度端面的气囊5的时候，微微打开气囊口6，使透明玻璃管1的管口与气囊口6之间仅仅有微小缝隙，保证液柱缓慢下降，如果液柱下降较快，可以适当缩小缝隙的宽度，促使液柱的下降速度在毫米/秒的数量级；第二点，在多次实验后，对表面张力能够托住的液柱的高度有一个大致的了解，在通过洗耳球吸取液柱时，尽量使初始液柱高度比表面张力能够托住的液柱高度微微高0.5-2cm，减少液柱的质量，从而降低液柱运动的惯性，减少测量误差。

Claims (1)

1.带刻度透明玻璃管测量液体表面张力的方法，其特征是：一根透明玻璃管（1），其管壁厚度为2-5毫米，透明玻璃管（1）的外侧沿着透明玻璃管（1）长度方向有一个毫米刻度尺（2），毫米刻度尺（2）的0刻度线位于透明玻璃管（1）的一端管口；一个洗耳球，由气囊（5）和气囊口（6）组成，弹性的洗耳球的气囊口（6）能够扩展到与透明玻璃管（1）的外径一样大，通过洗耳球的弹性，气囊口（6）紧密套在透明玻璃管（1）的毫米刻度尺（2）的0刻度所在的一端，将透明玻璃管（1）的一端密封，透明玻璃管（1）另一端伸入液体中，挤压洗耳球的气囊（5），然后放开，气囊（5）的回弹，将部分液体吸入透明玻璃管（1）形成液柱，使洗耳球位于透明玻璃管（1）的下端、将透明玻璃管（1）竖直固定在一个支架上；移除透明玻璃管（1）下端的洗耳球，则透明玻璃管（1）内部的液柱将下移，在透明玻璃管（1）的管口受到表面张力作用，液柱的全部或者部分将滞留在透明玻璃管（1）管口内，将输液管（3）的开口端伸入到透明玻璃管（1）的液柱内，缓慢打开输液管（3）的开关（4），缓缓地向透明玻璃管（1）内注入液体，使液柱缓慢上升，此处所指的缓慢是液柱上升的速度在0.5-2mm/分钟，随着液体的增加，表面张力不足以托住更长的液柱，则液柱将不再上升，透明玻璃管（1）管口的液滴开始变大，记录此时液柱高度h，则表面张力为π*d*σ，其中圆周率π=3.14159，d为透明玻璃管内径，σ为表面张力系数；液柱产生的重力为π*（d/2）²*h*ρ*g，其中ρ为液体的密度，g为重力加速度，则π*d*σ=π*（d/2）²*h*ρ*g，则液体的表面张力系数σ=d*h*ρ*g/4。