表面张力
- 实验负责人:王槿
- 小组成员:李永治 沈韩 李文华 李满兰 盖志刚(请各位老师直接编辑,或者将修改方案发到邮箱liquid_stc@163.com,咱们约时间视频或者语音群讨论,再将名字添加进来)
历史版本
2020年3月9日版本:
修改中的版本
1、科学素养
中国古代诗歌中便描述过“露似珍珠月似弓”的美好画面,西汉刘安的《淮南万毕术》有丢针的故事,南宋 张世南《游宦纪闻》有验漆之说。“细篾一头作圈子,入油蘸”,观察是否有鼓面以验漆之真伪。这便是“拉脱法”。
液体表面张力的测定方法分静力学法和动力学法。静力学法有基于拉脱原理的吊环法、 吊盘法;基于毛细管压差的毛细管上升法、最大气泡压力法,以及基于形貌识别的方法:悬滴法、旋转滴法、液桥法等; 动力学法有震荡射流法、毛细管波法等。
1919年,来自美国罗切斯特医学研究所的 Du Noüy在实验室自制了基于拉脱法的表面张力系数测量仪,他使用齿轮、转盘、表针等组成的扭力天平测量了不同液体材料的表面张力系数。1935年,他在Nature杂志上发表了对Ring method的评论:比任何方法都广泛地应用。并且指出了它的优势:简单易操作、可靠。目前实验室通常采用焦利氏秤来进行拉脱法表面张力系数的测量。利用类似游标卡尺的主尺和副尺的套筒结构实现了对拉力的测量。
现代测量仪器的进步使得人们可以利用硅单晶电阻应变传感器进行吊环法中力学信号的读告别了传统弹簧和胡克定律,并掌握使用计算机软件进行数据处理。毛细管上升法,将一根半径均匀的毛细管插人可润湿的液体中,液面将在毛细管中上升至平衡位置。科学和技术的发展随着历史的车轮向前行进。随着计算机和图像处理技术的发展,产生了基于形貌识别的液体表面张力系数测量方法。第一台电脑是1946年在美国宾夕法尼亚大学诞生。20世纪50年代,计算机和图像技术的发展,出现了接触角测量仪。1983年,Neumann教授正式提出了轴对称影像分析法,并对接触角测量以及光学法进行界面张力测试起到了决定性的推导作用。液桥法利用平行板之间微量液体在板间形成液桥的现象,建立表面曲率和表面张力的数学模型进行求解。
2、分层次实验教学内容
a)基础内容
使用毛细管上升法和拉脱法(包括基于传统的焦利氏秤的拉丝式拉脱法和基于力敏传感器的吊环式拉脱法)进行液体表面张力系数测定。
- 1、对于毛细管上升法:搭建装置,测量毛细管直径和上升高度。测量水温。
- 2、对于基于传统的焦利氏秤的拉丝式拉脱法:测量弹簧弹性系数、拉丝长度等,烧丝操作,根据拉膜过程中弹簧的伸长量及胡克定律求出拉力。测量水温。
- 3、对于基于力敏传感器的吊环式拉脱法:硅压阻(或薄膜电阻)力敏传感器拉脱法测液体表面张力系数(可测量表面张力随液面高度变化的完整曲线)。
b)提升内容
- 毛细管法:对水在毛细管中的上升高度进行修正。考虑毛细管是在有限截面容器,对毛细管内外压强差进行修正。分析测量误差来源,进行不确定度分析;
- 拉脱法(焦利氏秤):分析测量误差来源,进行不确定度分析;
- 拉脱法(力敏传感器):力敏传感器的定标及误差分析。
c)进阶内容
掌握利用最大泡压法测量表面张力系数的原理,能够自己动手组建负压法装置并进行测量。了解在实验室中,可以采用精度低成本低的U型计或者高精度的压力计进行压力差读数。了解,可以通过气泵改进实验装置为正压法测量。
d)高阶内容
基于形貌识别的液桥法测量液体表面张力系数。由Young-Laplace公式,静流体内压强随高度变化的关系,可以得到平均曲率半径与表面张力系数的反比例关系。首先要获得形貌数据,再进行建模,进行计算输出结果。形貌数据的获得包括:图像获取、边缘提取、坐标变换以及像素比例获取。其中像素比例的获取需要使用分辨率板。建模包括边缘曲线拟合、计算曲率半径,拟合曲率。通过形貌识别的方法获得平均曲率半径随高度变化的直线,求得其斜率,已知液体密度和重力加速度,就可以反推出表面张力系数。
3、能力培养
基本能力_仪器使用:游标卡尺,读数显微镜,焦利氏秤等;
基本实验素养_ 测量原理:胡克定律;力敏传感器的原理与校准; 设计能力:根据散件进行实验自组自拟。设计实验方案并进行参数修正;
高阶能力_建模及计算:掌握一种基于形貌识别的液体表面张力系数测量方法。从原始图像获取到边缘提取,建模以及结果输出。
4、知识点
- 基础、提升——弹性系数测量,胡克定律,力敏传感器;传感器定标;表面张力系数测量;
- 进阶—— 最大气泡压法实验设计;正压法;负压法;
- 高阶——液桥法;图像处理,边缘提取,分辨率板使用,Young-Laplace公式;曲线拟合。
5、学科关联
材料、化学、计算机、数学等
6、延伸实验
液体粘滞系数的测定。