摘要

液膜拉起過程中，選擇采用力敏傳感器的電壓最大值還是斷裂時的電壓瞬間值來測定液體表面張力系數(shù)一直被討論。本文設(shè)計了測定張力系數(shù)實驗，發(fā)現(xiàn)采用電壓瞬間值測定時，必須考慮斷裂點處液膜直徑的減小量；而采用電壓最大值測定時，液膜的自身重力對表面張力系數(shù)影響非常大，計算公式需修正。通過對實驗數(shù)據(jù)、受力分析及斷裂點問題的討論，得出采用這2種方法的計算都可行的結(jié)論，但采用電壓最大值及頸縮后直徑進(jìn)行計算，實驗結(jié)果更準(zhǔn)確，且實驗操作性更強(qiáng)，測試更穩(wěn)定。

1 理論分析

吊環(huán)從拉出液膜到液膜斷裂的過程中，力敏傳感器輸出電壓的數(shù)值經(jīng)歷從小變大再變小的過程。圖1給出了該過程中吊環(huán)受力和液膜形狀變化的示意圖。吊環(huán)脫離液面時將拉出一段液膜，此時吊環(huán)所受合外力為

F = m環(huán)g + m膜g + 2fAcosθ, (1)

式中，m膜g為液膜重力，m環(huán)g為吊環(huán)重力，fA為表面張力，由于液膜內(nèi)、外表面都存在fA，所以有系數(shù)2；θ是液面與金屬吊環(huán)的接觸角。

隨著液面高度逐漸下降，吊環(huán)拉出的液膜（m膜g）變多，θ則減小，由式(1)可知，吊環(huán)拉力F變大，直至達(dá)到最大Fmax，此時θ=0[圖1(b)]，有繼續(xù)下降液面高度，在重力和分子內(nèi)聚力的作用下，液膜的體積和形狀將發(fā)生顯著變化，液膜剖面從鞍面型逐漸變成雙曲面型[圖1(c)]。

Fmax = m環(huán)g + m膜g + 2fA, (2)

內(nèi)、外2個雙曲面的頂點處液膜將逐漸變薄，直至液膜斷裂[圖1(d)]。為了便于分析，將拉出的液膜質(zhì)量分成m1和m2上下2部分。將吊環(huán)與上半部分液膜（m1）作為整體，該整體受到的表面張力，作用點在液膜最薄處，表示為fB，如圖1(c)所示。很顯然，液膜變薄過程中，fB保持不變，作用力的方向也始終豎直向下，但是上半部分液膜質(zhì)量m1逐漸減小，所以吊環(huán)拉力F逐漸減小，直至液膜斷裂前瞬間[圖1(d)]，有

F斷前 = m環(huán)g + m1′g + 2fB, (3)

此時的液膜m1′將停留在吊環(huán)上，如圖1(e)所示。所以拉斷后，吊環(huán)所受拉力為吊環(huán)重力與殘留液膜重力之和。

F斷后 = m環(huán)g + m1′g, (4)

很顯然，對比式(3)和(4)，液膜斷裂前、后的拉力之差為2fB，這正是液膜斷裂點的表面張力，計算出的表面張力系數(shù)是準(zhǔn)確的。同樣，對比式(2)和(4)，吊環(huán)拉力之差為2fA + (m膜 - m1′)g，此差值中除了有表面張力外，還包含一部分液膜重力，所以計算出的表面張力系數(shù)數(shù)值將明顯偏大。因此文獻(xiàn)中普遍采用液膜斷裂點來計算表面張力系數(shù)。

值得注意的是，圖1(c)中的fA表示液體與金屬環(huán)接觸處附近的表面張力，fB表示液膜最薄處的表面張力，兩者都是液體在空氣界面處的表面張力，所以fA = fB。采用整體法，將吊環(huán)與m膜整體作為研究對象，fA為該整體受到豎直向下的外力，而fB則為內(nèi)力，無論其角度θ如何變化，與吊環(huán)拉力F無關(guān)。

由此，表面張力f用電壓來表示，為

f = F斷前 - F斷后 = (U斷前 - U斷后) / K,

K為力敏傳感器靈敏度，通過定標(biāo)來確定。吊環(huán)的內(nèi)、外周長之和為π(d1 + d2)，d1和d2為吊環(huán)的內(nèi)、外直徑。用d? = (d1 + d2)/2表示其平均直徑，所以表面張力系數(shù)可表示為

α = (U斷前 - U斷后) / (2Kπd?). (5)

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 基于Umax與U斷前的表面張力系數(shù)比較

圖2是WBM-1A拉脫法液體表面張力實驗儀，用來測定純凈水的表面張力系數(shù)。實驗時采用標(biāo)準(zhǔn)吊環(huán)的內(nèi)、外徑分別為d1=33.10 mm，d2=34.96 mm，平均直徑為d?=34.03 mm，平均周長為πd?=106.88 mm。該標(biāo)準(zhǔn)環(huán)拉出的水膜高度與力敏傳感器電壓讀數(shù)之間的關(guān)系，如圖3所示。可以看出，隨著水膜高度的增加，吊環(huán)拉力逐漸增加到最大（圖中Umax表示），然后慢慢減小，直至水膜斷裂。圖中U斷前和U斷后分別表示水膜斷裂時和斷裂后的瞬時電壓值。吊環(huán)的受力變化情況與之前理論分析一致。

為了進(jìn)行比較，自制了4個金屬銅導(dǎo)線吊環(huán)，其平均周長分別為126.1、105.5、78.2、57.4 mm，它們在拉脫過程中的情況與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)相似，如圖4所示。由此得到每個吊環(huán)測量時的電壓最大值、斷裂瞬間值和拉斷后的電壓值，見表1。通過式(5)計算出水的表面張力系數(shù)α2及其誤差。表1中也給出了采用電壓最大值時，即將式(5)中的U斷前替換為Umax，計算可得水的表面張力系數(shù)α1及其誤差。測量前，定標(biāo)得到力敏系數(shù)為K=5.302 V/N。實驗時室溫為18℃，查表得到表面張力系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值為73.05×10-3 N/m。

表１ 采用電壓最大值和水膜斷裂瞬間值計算得到的表面張力系數(shù)及其誤差

對于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)，可以發(fā)現(xiàn)，采用電壓最大值計算得到的表面張力系數(shù)α1=87.2×10-3 N/m，與標(biāo)準(zhǔn)值相對偏差為19.4%。而采用水膜斷裂瞬間值計算得到的α2=72.0×10-3 N/m，相對偏差僅為-1.4%，兩者差別非常大。電壓最大值計算得到的水的表面張力系數(shù)，比采用水膜斷裂瞬間值計算得到的數(shù)值大很多，即α1 > α2。對于其他不同周長的圓環(huán)也都有相同的結(jié)論。即如前面理論分析所述，是由于(m膜 - m1′)g所致，這里得到了實驗驗證。所以，正如多數(shù)文獻(xiàn)中提到的，采用斷裂點計算得到的α2更加接近標(biāo)準(zhǔn)值，誤差更小。