帶刻度透明玻璃管測量液體表面張力的方法
【專利摘要】帶刻度透明玻璃管測量液體表面張力的方法涉及物理參數(shù)的測量，技術(shù)方案是，一根透明玻璃管，外側(cè)有一個毫米刻度尺，毫米刻度尺的0刻度線位于透明玻璃管的一端管口；一個洗耳球，由氣囊和氣囊口組成，氣囊口緊密套在透明玻璃管的毫米刻度尺的0刻度所在的一端，擠壓洗耳球的氣囊，將部分液體吸入透明玻璃管形成液柱，將透明玻璃管豎直固定在一個支架上；移除透明玻璃管下端的洗耳球，則明玻璃管內(nèi)部的液柱將下移；將輸液管的開口端伸入到明玻璃管的液柱內(nèi)，緩緩地向透明玻璃管內(nèi)注入液體，直到觀察液柱的高度不再上升，記錄高度h，則液體的表面張力系數(shù)σ=d*h*ρ*g/4。有益效果：有利于對表面張力在玻璃管內(nèi)部和管口變現(xiàn)的清晰認(rèn)識。
【專利說明】帶刻度透明玻璃管測量液體表面張力的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及物理參數(shù)的測量，特別是液體表面張力系數(shù)的測量。

【背景技術(shù)】
[0002]測量液體表面張力系數(shù)的方法常見的有:最大氣泡壓法，毛細(xì)管法，拉脫法等，測量方法要么裝置比較復(fù)雜，比如最大氣泡壓法、拉脫法；要么測量的精度不高，毛細(xì)管法雖然簡單，但是液面彎曲，測量液柱的高度不夠準(zhǔn)確，由于毛細(xì)管外側(cè)的液面也沿著毛細(xì)管外側(cè)的管壁上升，因此，在確定液面的水平位置的坐標(biāo)值比較困難，從而導(dǎo)致確定毛細(xì)管內(nèi)側(cè)的液柱的高度差比較困難。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提出一種新型的表面張力測量方法，屬于改進型的毛細(xì)管法測量液體表面張力。
[0004]技術(shù)方案是:帶刻度透明玻璃管測量液體表面張力的方法，其特征是:一根透明玻璃管，其管壁厚度為2-5毫米，透明玻璃管的外側(cè)沿著透明玻璃管長度方向有一個毫米刻度尺，毫米刻度尺的O刻度線位于透明玻璃管的一端管口 ；一個洗耳球，由氣囊和氣囊口組成，彈性的洗耳球的氣囊口能夠擴展到與透明玻璃管的外徑一樣大，通過洗耳球的彈性，氣囊口緊密套在透明玻璃管的毫米刻度尺的O刻度所在的一端，將透明玻璃管的一端密封，透明玻璃管另一端伸入液體中，擠壓洗耳球的氣囊，然后放開，洗耳球氣囊的回彈，將部分液體吸入透明玻璃管形成液柱，使洗耳球位于透明玻璃管的下端、將透明玻璃管豎直固定在一個支架上；移除透明玻璃管下端的洗耳球，則明玻璃管內(nèi)部的液柱將下移，在明玻璃管的管口受到表面張力作用，當(dāng)初始液柱的重量大于液體的表面張力，液柱將掉落一部分液滴，直到液柱的重量等于液體的表面張力，如果初始液柱的重量小于液體的表面張力，則液柱的液體不會掉落；將輸液管的開口端伸入到明玻璃管的液柱內(nèi)，緩慢打開輸液管的開關(guān)，緩緩地向透明玻璃管內(nèi)注入液體，使液柱緩慢上升，并注意記錄液柱所在的毫米刻度尺的讀數(shù)，此處所指的緩慢是液柱上升的速度在0.5-2mm/分鐘；通過輸液管繼續(xù)向明玻璃管內(nèi)注入液體，隨著液體的增加，表面張力不足以托住更長的液柱，則液柱將不再上升，透明玻璃管(I)管口的液滴開始變大，記錄此時液柱高度h，則表面張力為，其中圓周率π=3.14159, d為透明玻璃管內(nèi)徑，σ為表面張力系數(shù)；液柱產(chǎn)生的重力為π * (d/2)2*h*P*g，其中P為液體的密度，g為重力加速度,貝U(d/2)2*h*p *g,則液體的表面張力系數(shù)σ =d*h*P *g/4，液柱高度h根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)修正為h+r/3，則修正后的σ =d*(h+r/3) *P *g/4 ;液柱高度h在本發(fā)明中根據(jù)實驗現(xiàn)象的總結(jié)，修正為h+r，則修正后的σ =d* (h+r) * P *g/4。
[0005]有益效果:在液體的表面張力不能托住液柱時，隨著液體的注入，液面不再升高，注入的液體向下滲出，透明玻璃管下端的液滴增大，直到液滴的表面張力不能托住液滴時，液滴發(fā)生脫落；本方法簡單，測量成本低廉；同時，液滴的增大、脫離，然后玻璃管端面變平，有利于學(xué)生對表面張力在玻璃管內(nèi)部和管口變現(xiàn)的清晰認(rèn)識，從而更清晰地認(rèn)識表面現(xiàn)象。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1是帶刻度的透明玻璃管，圖2是帶開關(guān)的輸液管，圖3是大口徑洗耳球，圖4是連接示意圖。
[0007]其中，1、透明玻璃管，2、刻度尺，3、輸液管，4、開關(guān)，5、氣囊，6、氣囊口。

【具體實施方式】
[0008]一根透明玻璃管1，其管壁較厚，在2毫米以上，建議在2-5毫米，透明玻璃管I的外側(cè)沿著透明玻璃管I的軸線方向(長度方向)有一個毫米刻度尺2，毫米刻度尺2的O刻度線位于透明玻璃管I的一端管口，即毫米刻度尺2的O刻度線與透明玻璃管I的一端管口平面平齊；一個洗耳球，與普通的洗耳球結(jié)構(gòu)一致，由氣囊5和氣囊口 6組成，只是洗耳球的氣囊口 6與透明玻璃管I的外徑基本一樣大，通過洗耳球的彈性，氣囊口 6緊密套透明玻璃管I的毫米刻度尺2的O刻度所在的一端，將透明玻璃管I的一端密封，透明玻璃管I另一端伸入液體中，擠壓洗耳球的氣囊5，然后放開，洗耳球氣囊5的回彈，將吸引部分液體進入透明玻璃管1，然后將透明玻璃管I豎直固定在一個支架上，實現(xiàn)將透明玻璃管I豎直固定有很多的方法可以實現(xiàn)(比如由廠家設(shè)計一個帶雙夾具的支撐架，調(diào)節(jié)支撐架底座水平，底座水平時，設(shè)計成兩個圓形夾具的圓心處于鉛垂線上)，屬于現(xiàn)有技術(shù)的范疇，不在此處詳細(xì)敘述。
[0009]移除透明玻璃管I下端的洗耳球，則明玻璃管I內(nèi)部的液柱將下移，在明玻璃管I的管口受到表面張力作用，將不會全部掉落。
[0010]—個輸液管3,其外徑在Imm左右,可以米用醫(yī)院的輸液裝置,將輸液管3的開口端伸入到明玻璃管I的液柱內(nèi)，緩慢打開輸液管3的開關(guān)4，緩緩地向透明玻璃管I內(nèi)注入液體，使液柱緩慢上升，并注意記錄液柱上端凹面所在的毫米刻度尺2的讀數(shù)，此處所述的緩慢是指液柱上升的速度比較慢，從而輸液管3的液體輸入對液柱的影響能夠忽略，其緩慢程度同時受實驗人員的忍受程度有關(guān)，比較理想的是液柱上升的速度在Imm/分鐘左右，比如0.5-2mm/分鐘；需要注意一點，液面一般是彎曲的，中間低、邊緣高，液柱的高度h為管口平面(O刻度)到液柱上端彎曲面底部的距離(從透明玻璃管I的刻度尺2讀出)，對于彎曲面液體部分，有一種修正方法是將彎曲部分作為半球面近似，則該部分液體的體積為jir2*r-2 3ir3/3=3ir3/3,其中π r2*r表示假定沒有彎曲面,該部分的面積為！^、高度為!.、體積為π r2*r,作半球面近似,則半球面圍成的體積為2 π r3/3,因此液體體積的修正量為Ji r3/3= π r2* (r/3)，因此液柱高度修正值為r/3，即液柱的高度修正為h+r/3。
[0011]通過輸液管3繼續(xù)向明玻璃管I內(nèi)注入液體，隨著液體的增加，表面張力不足以托住液柱，則液柱不再上升，此時液柱高度為h，透明玻璃管I底部的液滴開始變大，當(dāng)液滴的表面張力不能約束液滴，則液滴掉落。
[0012]表面張力為π *d* σ，其中圓周率Ji =3.14159，d為透明玻璃管內(nèi)徑(d=2r)，σ為液體的表面張力系數(shù)；液柱產(chǎn)生的重力為π* (d/2) 2*h*P *g,其中P為液體的密度，g為重力加速度，則 3i*d*o=ji* (d/2) 2*h* P *g,貝U o=d*h*p*g/4。
[0013]比如純水在25攝氏度的σ =0.0721N/m, N/m為“牛頓/米”，假定d=3mm=0.003m,P 估計為 1000Kg/m3，g 估計為 10N/Kg, d* P *g/4=7.5N/m2，則液柱的高度 h= (0.0721 N/m)/( 7.5N/m2) =0.0096 m=9.6 m m，液柱高度 9.6 m m，接近 10mm,為可測量。
[0014]實驗:一個滴定管，0.1-1.0毫升對應(yīng)的長度為14cm，計算出內(nèi)部直徑為2.88_，
0.1毫升刻度以下的部分管徑逐漸變小，開口端管徑大致lmm，0.1毫升刻度以上部分直到上端開口，管徑均勻，將管徑均勻端插入水容器中，拇指按住滴定管的尖端，微微移開拇指后迅速按住滴定管的尖端，減少水滴運動的慣性，從而減少誤差，在環(huán)境溫度大約15攝氏度的時候，測量到了大約1mm的滯留水柱(與理論計算的1mm基本一致)。通過多次實驗，發(fā)現(xiàn)滴定管底部的液滴有時大、有時小，滴定管內(nèi)部的液柱高度并沒有變化，也就是說液滴的一部分應(yīng)該屬于滴定管內(nèi)側(cè)的表面張力能夠拉住的液體，只是由于重力作用導(dǎo)致液面向下彎曲，從多次實驗觀察，該彎曲部分與滴定管內(nèi)部的彎曲形狀相同，也就是說，滴定管下端液滴的彎曲部分能夠彌補滴定管內(nèi)側(cè)液柱上端的彎曲面，因此液柱的長度為滴定管管口到滴定管液柱上端液面與管壁接觸處的距離，由于不便于觀察，參考前面的修正描述，先測量滴定管管口到液面彎曲面底部的高度h以及內(nèi)徑d(對于其它玻璃管，內(nèi)徑的數(shù)值可以從廠家獲取)，液柱能夠修正為h+d/2或者記為h+r。對于滴定管下端的液滴有時比較大，應(yīng)該理解為:當(dāng)液滴的重力大于管口表面張力，成為一個液滴滴落；當(dāng)液滴的重力小于管口表面張力，則該部分液體能夠被管口的表面張力束縛，該部分液體體積小于一個液滴的大小。
[0015]在本發(fā)明中，為減少液柱下降的運動慣性對實驗結(jié)果的影響能夠采用的方法有:第一點，在移除透明玻璃管I零刻度端面的洗耳球氣囊5的時候，微微打開氣囊口 6，使透明玻璃管I的管口與氣囊口 6之間僅僅有微小縫隙，保證液柱緩慢下降，如果液柱下降較快，可以適當(dāng)縮小縫隙的寬度，促使液柱的下降速度在毫米/秒的數(shù)量級；第二點，在多次實驗后，對表面張力能夠托住的液柱的高度有一個大致的了解，在通過洗耳球吸取液柱時，盡量使初始液柱高度比表面張力能夠托住的液柱高度微微高0.5-2cm，減少液柱的質(zhì)量，從而降低液柱運動的慣性，減少測量誤差。
【權(quán)利要求】
1.帶刻度透明玻璃管測量液體表面張力的方法，其特征是:一根透明玻璃管(1)，其管壁厚度為2-5毫米，透明玻璃管(I)的外側(cè)沿著透明玻璃管(I)長度方向有一個毫米刻度尺(2)，毫米刻度尺(2)的O刻度線位于透明玻璃管(I)的一端管口 ； 一個洗耳球，由氣囊(5)和氣囊口(6)組成，彈性的洗耳球的氣囊口(6)能夠擴展到與透明玻璃管(I)的外徑一樣大，通過洗耳球的彈性，氣囊口(6)緊密套在透明玻璃管(I)的毫米刻度尺(2)的O刻度所在的一端，將透明玻璃管(I)的一端密封，透明玻璃管(I)另一端伸入液體中，擠壓洗耳球的氣囊(5)，然后放開，洗耳球氣囊(5)的回彈，將部分液體吸入透明玻璃管(I)形成液柱，使洗耳球位于透明玻璃管(I)的下端、將透明玻璃管(I)豎直固定在一個支架上；移除透明玻璃管(I)下端的洗耳球，則明玻璃管(I)內(nèi)部的液柱將下移，在透明玻璃管(I)的管口受到表面張力作用，液柱的全部或者部分將滯留在透明玻璃管(I)管口內(nèi)，將輸液管(3)的開口端伸入到透明玻璃管(I)的液柱內(nèi)，緩慢打開輸液管(3)的開關(guān)(4)，緩緩地向透明玻璃管(I)內(nèi)注入液體，使液柱緩慢上升，此處所指的緩慢是液柱上升的速度在0.5-2mm/分鐘，隨著液體的增加，表面張力不足以托住更長的液柱，則液柱將不再上升，透明玻璃管(I)管口的液滴開始變大，記錄此時液柱高度h，則表面張力為其中圓周率π=3.14159，d為透明玻璃管內(nèi)徑，σ為表面張力系數(shù)；液柱產(chǎn)生的重力為31* (d/2) 2*h*P *g,其中P為液體的密度，g為重力加速度，則Ji *d* σ =Ji* (d/2)2*h*P *g,則液體的表面張力系數(shù)ο =d氺h* P*g/4o
【文檔編號】G01N13/02GK104390889SQ201410706510
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月1日
【發(fā)明者】李娟 , 胡再國, 饒大慶, 朱俊, 何原, 雍志華, 羅明蓉, 穆萬軍, 鄒旭敏, 王維果, 梁雅庭, 程艷, 劉石丹, 于白茹, 李偉, 梁小沖, 李紫源, 田野中 申請人:四川大學(xué)