计算机辅助液体表面张力系数测量实验的改进

宗倩格 叶伟文 洪佳琪 彭保进

摘要：针对目前液体表面张力系数测定实验存在的问题，利用传感技术与计算机技术对该实验进行改进。利用力传感器测量对圆环的拉力，通过计算机对力传感器输出的电信号进行实时采集和分析。改进后在计算机上可以直观地呈现出信号随时间变化的曲线，并实时地显示反映液体表面张力变化的圆环受力情况。结果表明：实验改进效果直观明显，相对误差小于2%，有推广应用价值。

关键词：液体表面张力；实验改进；计算机技术；传感技术

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）08-0095-02

目前，用于实验室液体表面张力系数的测量方法有：（1）传统拉脱法[1]；（2）基于硅单晶电阻应变片与数字电压表进行测量的方法[2]第一种方法常用焦利秤、扭秤等，然而这些器件精度较低，稳定性不高。第二种方法把力信号转化为电信号，在定标后，要求学生在实验过程中读出液膜断裂前后瞬间数字电压表的示数。然而这种测量缺少可视化，且在读取电压示数时存在较大偶然误差。同时，实验效果只能给学生粗糙的感觉，不利于学生对液体表面张力概念的理解。我们利用传感技术结合计算机技术开发的实验装置，不仅克服上述不足，而且可以实时并清晰地向学生展示整个实验过程及其结果。

一、实验改进思路

改进后的实验装置示意图如图1所示。利用力传感器测量对圆环的拉力，通过计算机对力传感器输出的电信号进行实时采集和分析。

实验过程为：将力敏传感器以及金属圆环位置固定，金属圆环吊挂在力敏传感器上，并浸于有待测液体的样品池中。缓缓降低样品池的高度（效果相当于缓缓提起金属圆环），圆环就会拉出一层与液体相连的液膜。由于表面张力的作用，圆环所受向上的拉力会逐渐增大至最大值F，当超过此值时，液膜立即破裂。而力敏传感器可以实时探测到液体表面张力的这一变化过程。将力敏传感器探测到的力信号经放大电路的处理变为电信号，由采集卡采集到计算机中，再由相应的VB程序或其他方式实时读取并描绘出液体表面张力大小的图像。制成的实验装置操作简单，效果清晰直观，实用性强。装置避免移动圆环而造成液膜提前破裂的情况。移动实验装置中力敏传感器以及金属圆环位置固定不动，对样品池的高度进行调节。先调节样品池的高度使金属圆环完全浸入液体中，再缓慢降低样品池的高度，效果相当于缓缓提起金属圆环。

二、实验结果及误差分析

（一）实验结果

当液体为水且环境温度为18℃时，计算机显示的力敏传感器随时间变化的受力情况如图2所示。观察图中所示受力变化情况，可知与理论分析结果一致。用改进后的实验装置进行多次实验，数据如表1所示。代入式（1），可计算出液体表面张力系数。改进后的实验装置既可以非常直观地看到整个实验过程中力敏传感器的受力情况，又能准确地计算出所求的液体表面张力系数的大小。

（二）实验误差分析

为了对实验数据进行误差分析，在相同的实验环境下，用传统的液体表面张力系数测定演示仪测得一组实验数据。经查表知：水在18℃时，与空气接触的水的表面张力系数为0.073N/m。改进后的实验仪测得的水表面张力系数α的平均值为0.072N/m，与理论值的误差為1.37%；传统的实验仪测得的α平均值为0.0615N/m，误差为15.8%。可看出，改进后的表面张力实验仪不仅可视化效果好，而且实验精确度高。

三、结束语

改进后的实验装置，实验结果精确度高，稳定性好，可视化效果强，不仅解决了力学实验不直观、技术含量低的问题，而且通过变化的曲线可以让学生更直接深切地理解表面张力的意义。本实验仍忽略了金属圆环的浮力和水膜的重力所带来的实验误差[3]，后续中也可根据需要在本实验系统中加入。本实验改进借助自主编写VB程序，成功地展现了液体表面张力测定实验的整个过程。改进后的实验装置并没有让计算机“包办”所有的事情。在整个实验过程中，仍然保留了真正提高学生实验能力的操作，大大提高学生的实验兴趣[4-5]。改进后的实验效果直观明显，相对误差小于2%，有一定的推广应用价值。

参考文献：

[1]何焰蓝，杨俊才.大学物理实验[M].第二版.北京：机械工业出版社，2009：79.

[2]冯放，牟艳秋.大学物理实验[M].第一版.北京：高等教育出版社，2017：50.

[3]王祥委，段娟娟，彭朝阳.液体表面张力测定（拉脱法）的误差分析与修正[J].物理通报，2016，35（10）：67-70.

[4]刘升光，王艳辉，牟宗信，王茂仁，李雪春.拉脱法测液体表面张力系数中的动态演化过程[J].物理实验，2017，37（5）：12-15.

[5]林淑玲，杨宁侠，刘克.如何利用计算机辅助物理教学[J].中学物理教学参考，2017，46（10）：42-43.