液體表面張力系數(shù)常用拉脫法進(jìn)行測量，此法雖然操作簡單、方便快捷，但測量中存在的問題和不足之處往往會(huì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。研究表明，對實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器加以改進(jìn)，能夠較明顯地減少拉脫法測量液體表面張力系數(shù)產(chǎn)生的誤差，有效地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

液體表面張力是由于液體表面層內(nèi)液體分子受力不平衡引起的，液體表面層內(nèi)分子受到了一個(gè)指向液體內(nèi)部的合引力作用，使得液體表面具有自動(dòng)收縮的趨勢。因此液體表面就像一張被繃緊了的橡皮膜，使得表面層內(nèi)不同部分之間有張力存在，這種張力就稱為液體表面張力。液體表面張力大小跟液體的表面張力系數(shù)以及液面分界線的長度有關(guān)，液體的表面張力系數(shù)是表征液體性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)，跟液體的種類、溫度、純度以及液面上方氣體的成分有關(guān)。液體表面張力對建筑、船舶制造、化學(xué)化工、水利等行業(yè)都有較大的影響，所以，準(zhǔn)確的測量液體的表面張力系數(shù)具有重要的意義。

測量液體表面系數(shù)的常用方法有毛細(xì)管法、U型管法、最大氣泡壓力法和拉脫法等，其中拉脫法具有方便快捷、操作簡單的特點(diǎn)，所以目前很多高校實(shí)驗(yàn)室都采用這種方法來測量液體表面張力系數(shù)。

1實(shí)驗(yàn)原理

拉脫法測量液體表面張力系數(shù)所使用的實(shí)驗(yàn)裝置是FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測定儀，這套儀器由硅壓阻力敏傳感器、數(shù)字電壓表、支架、金屬吊環(huán)、片碼等組成。

拉脫法測量液體表面張力系數(shù)的方法是：把金屬吊環(huán)固定在力敏傳感器上，升高液面，使金屬吊環(huán)底部完全浸入在液體中，然后緩慢降低液面，使吊環(huán)逐漸從液面拉脫，吊環(huán)拉出液柱破裂瞬間前后力的差值就是液柱的兩個(gè)液面表面張力的大小，可表示為：

F=π(D1+D2)α⑴

其中，α為液體的表面張力系數(shù)，D1、D2分別為金屬吊環(huán)的內(nèi)、外徑。

此時(shí)，由數(shù)字電壓表讀出的電壓差值為ΔU。關(guān)于硅壓阻力敏傳感器的工作原理，簡單來說就是利用電橋電路把力的大小改變轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化反映出來，即被測試件受力的大小跟與力敏傳感器連接的數(shù)字電壓表的讀數(shù)大小成正比，可表示為：

F=ΔU/K⑵

其中K是力敏傳感器的靈敏度。

由⑴式、⑵式可以得出：

α=ΔU/π(D1+D2)K⑶

實(shí)驗(yàn)表明，α的大小與液體的種類、純度、溫度及液體表面接觸的氣體成分有關(guān)，只要上述條件不變，則α應(yīng)為常量。因此，在測量液體的表面張力系數(shù)時(shí)，一定要記下測量時(shí)的液體溫度、種類及純度。

2實(shí)驗(yàn)存在的不足

拉脫法相比其他方法操作簡單易行，實(shí)驗(yàn)利用靈敏度較高的力敏傳感器來測量力的大小，相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法已經(jīng)有了很大的進(jìn)步。但是，此法仍存有不足和需要改進(jìn)的地方，主要集中在以下兩點(diǎn)：

2.1力敏傳感器的靈敏度測量

實(shí)驗(yàn)過程中首先要對力敏傳感器定標(biāo)，即測出力敏傳感器的靈敏度，力敏傳感器的靈敏度測量是否準(zhǔn)確直接影響液體表面張力的大小是否準(zhǔn)確，如何盡量減少靈敏度的測量誤差是個(gè)非常重要的問題。通常測量力敏傳感器靈敏度的方法是依次往吊盤里增加片碼的個(gè)數(shù)，分別記錄電壓表的數(shù)值，然后用曲線擬合的方式得出曲線斜率也即靈敏度的大小，因片碼質(zhì)量較小，力敏傳感器靈敏度較高，學(xué)生操作不熟練造成的吊盤晃動(dòng)等人為因素會(huì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生很大的影響。

2.2吊環(huán)的水平程度

FD-NST-I型液體表面張力測定儀的設(shè)計(jì)是把金屬吊環(huán)浸入待測液體，測量過程中吊環(huán)的水平程度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很大的影響，測量時(shí)如果吊環(huán)偏差1°，測量結(jié)果就會(huì)引入誤差0.5%，偏差2°，就會(huì)引入誤差1.6%[5]。偏差越大，引入的誤差百分比將更高?，F(xiàn)有儀器中的吊環(huán)是否水平要通過3根細(xì)金屬絲來調(diào)節(jié)，要求學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)要耐心精細(xì)。但在調(diào)節(jié)的過程中，學(xué)生僅僅通過目測憑感覺調(diào)節(jié)，這對于男生比較多的理工科學(xué)生來說不但嚴(yán)謹(jǐn)程度不足，而且操作難度較大，實(shí)驗(yàn)很難達(dá)到理想的效果。

3實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

3.1力敏傳感器的靈敏度測量改進(jìn)方法

對于力敏傳感器靈敏度的測量，保持不增加實(shí)驗(yàn)成本的原則，采用多次測量，先依次增加片碼個(gè)數(shù)，再依次減少片碼個(gè)數(shù)的方法平均人為誤差，然后用逐差法求得力敏傳感器的靈敏度，具體測量數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)測量數(shù)據(jù)得出Ui的平均值，用逐差法求得ΔU的平均值：

表1力敏傳感器的靈敏度測量數(shù)據(jù)

3.2吊環(huán)的水平程度改進(jìn)方法

針對金屬吊環(huán)難以調(diào)節(jié)水平的問題，把金屬吊環(huán)進(jìn)行了改裝。首先把3根金屬細(xì)絲換成3根韌性很好的輕質(zhì)細(xì)線，讓輕質(zhì)細(xì)線上端固定打結(jié)，可以方便的掛在力敏傳感器的吊鉤上，3根輕質(zhì)細(xì)線與金屬環(huán)分別用3個(gè)可旋轉(zhuǎn)的螺絲連接，通過調(diào)節(jié)螺絲可以很方便的調(diào)節(jié)細(xì)線的長度。為了力求準(zhǔn)確，在細(xì)線打結(jié)的位置垂出另一根輕質(zhì)細(xì)線，細(xì)線下方可懸掛一個(gè)小金屬塊，做成一個(gè)吊錘，同學(xué)們可以通過觀察吊錘是否垂直來調(diào)節(jié)細(xì)線的長度，從而達(dá)到使金屬吊環(huán)調(diào)節(jié)水平的目的，又因?yàn)榱γ魝鞲衅饕笏鶞y量的力不能過大，所以小金屬塊在吊環(huán)調(diào)節(jié)水平以后可以摘下來。改進(jìn)后的吊環(huán)如圖1所示：

圖1改裝后的吊環(huán)

3.3改進(jìn)前后實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

用原有的金屬吊環(huán)測量純水在25℃時(shí)的液體表面張力系數(shù)的數(shù)據(jù)見表2。

表2原有金屬吊環(huán)測量液體的表面張力系數(shù)數(shù)據(jù)表(水溫25℃)

利用原有吊環(huán)測量出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出純水在25℃時(shí)液體的表面張力系數(shù)平均值是74.33×10-3N/m，跟25℃時(shí)純水的液體表面張力系數(shù)公認(rèn)值72.00×10-3N/m相比，相對誤差為3.2%。由此數(shù)據(jù)可以看出，沒有經(jīng)過改造的吊環(huán)，容易使液柱提前破裂，因?yàn)橐褐鶝]有得到足夠拉伸，從而造成測出的液體表面張力系數(shù)偏大。

用改進(jìn)后的金屬吊環(huán)測量純水在25℃時(shí)的液體表面張力系數(shù)，具體測量數(shù)據(jù)見表3。

表3改進(jìn)后金屬吊環(huán)測量液體的表面張力系數(shù)數(shù)據(jù)表(水溫25℃)

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，計(jì)算得出用改進(jìn)后吊環(huán)測出的純水在25℃時(shí)液體的表面張力系數(shù)平均值是71.79×10-3N/m，在25℃時(shí)純水的液體表面張力系數(shù)公認(rèn)值為72.00×10-3N/m，相對誤差為0.3%。

4結(jié)論

通過依次增加片碼個(gè)數(shù)和依次減少片碼個(gè)數(shù)的方法，多次測量以后平均了人為誤差，再利用逐差法比較準(zhǔn)確的對力敏傳感器進(jìn)行定標(biāo)，為后續(xù)較精確的測量液體表面張力系數(shù)奠定了基礎(chǔ)。通過對金屬吊環(huán)的改進(jìn)，可以很容易的把金屬吊環(huán)調(diào)節(jié)至理想水平，測量精度比使用原來的儀器時(shí)也提高了很多，并且因?yàn)楦倪M(jìn)后的儀器操作更加簡單，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情也得到了大大的提高。