[发明专利]液体表面张力动态测量实验仪及测量方法

说明书

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；