一种测量不同温度下液体表面张力系数的实验装置制造方法
【专利摘要】本发明提出了一种测量不同温度下液体表面张力系数的实验装置。它是采用一个一端封闭的玻璃圆筒，筒内设置半导体制冷装置、加热装置及温度传感器，玻璃圆筒与超声波电机相连。底座上设置支架，上面安装力敏传感器，与吊环相连。实验时设定待测液体的温度，控制超声波电机带动玻璃圆筒运动，使吊环浸入液体，然后慢慢脱离液体，记录测量过程中力敏传感器所受力的最大值，即吊环受到的液体表面张力，根据公式即可计算出设定温度下待测液体的表面张力系数。本发明可以测量不同温度下液体表面张力系数，通过超声波电机带动盛待测液体的容器升降，通过测量控制器自动记录并显示所测的表面张力，操作过程简单方便。
【专利说明】一种测量不同温度下液体表面张力系数的实验装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种物理实验装置，具体是涉及一种测量不同温度下液体表面张力系数的实验装置。
【背景技术】
[0002]液体分子之间存在相互作用力，称为分子力。液体内部每一个分子周围都被同类的其他分子包围，它受到周围分子的作用，合力为零。而液体的表面层(其厚度等于分子的作用半径，约10_8cm左右)内的分子所处的环境跟液体内部的分子相比缺少了一半和它吸引的分子。由于液体上的气相层的分子数很少，表面层内每一个分子受到向上的引力比向下的引力�。狭Σ晃悖鱿忠桓鲋赶蛞禾迥诓康奈Γ砸好婢哂惺账醯那魇�。这种液体表面的张力作用，被称为表面张力。表面张力f是存在于液体表面上任意一条分界线两侧间的液体的相互作用力，其方向沿液体表面，且恒与分界线垂直，大小与分界线的长度L成正比，即f = aL，式中α称为液体的表面张力系数，单位为N ^nT1,在数值上等于单位长度上的表面张力。
[0003]表面张力是 液体表面的重要力学性质，对表面张力的研究可以为分析分子的分布及表面结构提供有用的线索。例如，不同种类的液体，其表面张力系数不一样，这说明不同液体的分子结构和分子之间的相互作用力不一样，力的性质也不一定完全相同；对于同一种液体，温度越高，表面张力系数越�。得魑露鹊纳咭鸨砻娣肿拥拿芏群拖嗷プ饔昧Φ谋浠�。液体中所含杂质越多，则表面张力系数越小，说明杂质的掺入改变液体分子的分布和结构。在工业技术上，如浮选技术和液体输送技术等方面，都要对液体的表面张力进行研究。
[0004]液体表面张力系数的测定是大学物理实验中一个常见的实验项目。测定液体表面张力系数的方法很多，常用的有拉脱法、毛细管升高法、液滴测重法等，大学物理实验中一般采用拉脱法，因为这种方法简单方便。表面张力系数的值一般很小，测量微小力必须用特殊的仪器，以前多采用焦利秤，操作比较麻烦，随着技术的进步，现在大多采用的测力计是力敏传感器。通常采用的方法是将内径为D1，外径为D2的金属圆环悬挂在测力计上，然后把它竖直地浸入水中，当缓慢地向上拉起金属环时，环上就会附着一层与液体相连的水膜。由于表面张力的作用，测力计的拉力逐渐达到最大值F，超过此值，水膜即破裂，则F就是金属圆环所受重力G与水柱拉引金属圆环的表面张力f之和，即F = G+f。由于水膜有内外两个表面，且两液面的直径与金属圆环的内外径相同，故f = a Ji (DJD2)，则表面张力系数为
α =0狈# f，棚么、尤就胃抓十麵夜側麵弓长力狐
+ D2)
[0005]目前测量液体表面张力系数的实验装置主要存在以下不足:
[0006]其一，没有采取隔离措施，易受外界环境气流干扰。
[0007]其二，采取旋转旋钮的方法使盛待测液体的容器升降，同时观察记录金属圆环受到表面张力的最大值，操作繁琐，并且容易误读。[0008]其三，力敏传感器输出为电压值，还要测定其灵敏度，然后换算成力，比较麻烦。
[0009]其四，一般只能测室温下液体的表面张力系数。
【发明内容】
[0010]为了克服现有技术的上述不足，本发明提出一种测量不同温度下液体表面张力系数的实验装置，该装置既可以测量高于室温又可以测量低于室温某一温度下液体表面张力系数。采用透明玻璃罩进行隔离，可以防止外界气流干扰。通过超声波电机使盛待测液体的容器升降，通过测量控制器将力敏传感器输出的电压值转换为所测力的数值，自动记录并显示测量过程中力敏传感器所测力的最大值，操作过程简单方便。
[0011]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:在底座上安置一透明玻璃罩，防止外界气流干扰，底座上设置水平仪，通过底脚螺钉可以将实验装置调节水平。玻璃罩内设置一个一端封闭的玻璃圆筒，筒壁采用双层结构，中间抽成真空，以起到良好的保温效果。待测液体注入玻璃圆筒内，高度合适，在玻璃圆筒内液体中靠上部分设置一半导体制冷装置，用来冷却待测液体，靠下部分设置一加热装置，用来加热待测液体，中间部分设置一温度传感器，用来测量待测液体的温度，半导体制冷装置、加热装置及温度传感器分别通过接口与温度控制器相连接，通过温度控制器上的按键可以设定待测液体的温度。通过温度控制器上的按键设定待测液体的温度，利用温度传感器测量待测液体的实际温度，温度控制器内部由微处理器进行控制，如果设定温度低于实际温度，则启动半导体制冷装置，冷却待测液体，直到温度降低到设定值；如果设定温度高于实际温度，则启动加热装置，加热待测液体，直到温度增加到设定值。玻璃圆筒与超声波电机相连，可以在电机的带动下上下移动，超声波电机通过接口与超声波电机驱动器相连，超声波电机驱动器通过接口与测量控制器相连，通过测量控制器可以设定电机的运动方向及运动速度。底座上设置一个支架，上面安装力敏传感器，与吊环相连，用来测量吊环所受到的液体表面张力，力敏传感器通过接口与测量控制器相连，通过显示屏可以显示力敏传感器所测力的数值，记录并显示测量过程中的最大值。实验时通过温度控制器上的按键设定待测液体的温度，接下来通过测量控制器控制超声波电机，先带动玻璃圆筒向上运动，使吊环浸入待测液体中，然后带动玻璃圆筒向下缓慢运动，使吊环慢慢脱离待测液体，拉起一层水膜，并最终破裂，通过测量控制器记录测量过程中力敏传感器所受力的最大值，即为吊环受到的液体表面张力，代入公式即可计算出设定温度下待测液体的表面张力系数。
[0012]本发明的有益效果是，该装置可以测量不同温度下液体表面张力系数，可以防止外界气流干扰。通过超声波电机带动盛待测液体的容器升降，通过测量控制器自动记录并显示测量过程中力敏传感器所测力的最大值，即表面张力，操作过程简单方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0014]附图是本发明的结构示意图。
[0015]图中1.透明玻璃罩，2.底座，3.超声波电机，4.玻璃圆筒与超声波电机之间的连接装置，5.玻璃圆筒，6.加热装置，7.温度传感器，8.半导体制冷装置，9.支架，10.力敏传感器，11.吊环，12.水平仪，13、14.底脚螺钉，15.半导体制冷装置与温度控制器之间的接口，16.加热装置与温度控制器之间的接口，17.温度传感器与温度控制器之间的接口，18.超声波电机驱动器，19.超声波电机与超声波电机驱动器之间的接口，20、21.超声波电机驱动器与测量控制器之间的接口，22.力敏传感器与测量控制器之间的接口，23.温度控制器，24.指示灯，25.复位按键，26.温度设定按键，27.温度显示屏，28.上调按键，29.数字选择按键，30.下调按键，31.超声波电机向下运动控制按键，32.超声波电机向上运动控制按键，33.超声波电机启动停止控制按键，34.超声波电机速度调节旋钮，35.测量控制器，36.力敏传感器测量显示屏，37.调零旋钮，38.测量启动按键。
【具体实施方式】
[0016]附图中，在底座2上安置一个透明玻璃罩1，防止外界气流干扰，底座上设置水平仪12，通过底脚螺钉13、14可以将实验装置调节水平。透明玻璃罩I内设置一个一端封闭的玻璃圆筒5，筒壁采用双层结构，中间抽成真空，以起到良好的保温效果。待测液体注入玻璃圆筒5内，高度合适，在玻璃圆筒5内液体中靠上部分设置一半导体制冷装置8，用来冷却待测液体，靠下部分设置一加热装置6，用来加热待测液体，中间部分设置一温度传感器7，用来测量待测液体的温度，半导体制冷装置8、加热装置6及温度传感器7分别通过半导体制冷装置与温度控制器之间的接口 15、加热装置与温度控制器之间的接口 16及温度传感器与温度控制器之间的接口 17与温度控制器23相连接，通过温度控制器23上的温度设定按键26，数字选择按键29，上调按键28，下调按键30，可以设定待测液体的温度，并可在温度显示屏27上显示出来。指示灯24用来指示待测液体温度是否达到设定温度，待测液体温度不等于设定温度，指示灯24显示为红灯，待测液体温度达到设定温度，指示灯24显示为绿灯。玻璃圆筒5通过玻璃圆筒与超声波电机之间的连接装置4与超声波电机3相连，可以在电机的带动下上下移动，超声波电机5通过超声波电机与超声波电机驱动器之间的接口 19与超声波电机驱动器18相连，超声波电机驱动器18通过超声波电机驱动器与测量控制器之间的接口 20、21与测量控制器35相连，通过测量控制器35上的超声波电机向下运动控制按键31及超声波电机向上运动控制按键32可以控制电机向下或向上运动，通过超声波电机启动停止控制按键33可以控制电机的启动与停止，通过超声波电机速度调节旋钮34可以调节电机的运动速度。底座2上设置一个支架9，上面安装力敏传感器10，与吊环11相连，用来测量吊环11所受到的液体表面张力，力敏传感器10通过力敏传感器与测量控制器之间的接口 22与测量控制器35相连，通过力敏传感器测量显示屏36可以显示力敏传感器10所测力的数值，记录并显示测量过程中的最大值。
[0017]具体实验操作步骤为:
[0018](I)调节底脚螺钉13、14，观察水平仪12，将底座2调水平。
[0019](2)将待测液体注入玻璃圆筒5内，高度合适。通过温度控制器23上的温度设定按键26，数字选择按键29，上调按键28，下调按键30，设定待测液体的温度。直到指示灯24由红灯变为绿灯，即待测液体温度达到设定值。
[0020](3)将洁净的吊环11挂在力敏传感器10上，通过测量控制器35上的调零旋钮37将力敏传感器测量显示屏36调零。
[0021](4)接下来通过测量控制器35上的超声波电机速度调节旋钮34将超声波电机3的运动速度调节合适，然后通过测量控制器35上的超声波电机向上运动控制按键32控制超声波电机3，带动玻璃圆筒5向上运动，使玻璃圆筒5中液面上升，使吊环11完全浸入待测液体中，再通过测量控制器35上的超声波电机向下运动控制按键31控制超声波电机3，带动玻璃圆筒5向下缓慢运动，液面下降，使吊环11慢慢脱离待测液体，拉起一层水膜，并最终破裂，观察吊环11浸入液体中及从液体中拉起时的物理现象。通过测量控制器记录测量过程中力敏传感器所受力的最大值，即为吊环受到的液体表面张力f。
[0022](5)测出吊环的内径D1及外径D2,代入公式《 = - —即可计算出设定温度下待测液体的表面张力系数。
[0023]以上对本发明的结构进行了阐述，但是本发明所介绍的实施例并没有限制的意图，在不背离本发明主旨的范围内，本发明可有多种变化和修改。
【权利要求】
1.一种测量不同温度下液体表面张力系数的实验装置，具体是在底座上安置一透明玻璃罩，玻璃罩内设置一个一端封闭的玻璃圆筒，筒壁采用双层结构，中间抽成真空，以起到良好的保温效果，其特征是:在玻璃圆筒内液体中靠上部分设置一半导体制冷装置，用来冷却待测液体，靠下部分设置一加热装置，用来加热待测液体，中间部分设置一温度传感器，用来测量待测液体的温度，半导体制冷装置、加热装置及温度传感器分别通过接口与温度控制器相连接，通过温度控制器上的按键可以设定待测液体的温度。
2.根据权利要求1所述的测量不同温度下液体表面张力系数的实验装置，其特征是:玻璃圆筒与超声波电机相连，可以在电机的带动下上下移动，超声波电机通过接口与超声波电机驱动器相连，超声波电机驱动器通过接口与测量控制器相连，通过测量控制器可以设定电机的运动方向及运动速度。
3.根据权利要求1所述的测量不同温度下液体表面张力系数的实验装置，其特征是:底座上设置一个支架，上面安装力敏传感器，与吊环相连，用来测量吊环所受到的液体表面张力，力敏传感器通过接口与测量控制器相连，通过显示屏可以显示力敏传感器所测力的数值，记录并显示测量过程中的最大值。
【文档编号】G01N13/02GK103983541SQ201410205661
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月9日 优先权日:2014年5月9日
【发明者】田凯, 王照平, 刘申晓, 王博, 王宁 申请人:黄河科技学院
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