摘 要

通過自制實驗裝置演示鏡子起霧現(xiàn)象證明了液體表面張力的存在，同時也證明了表面活性劑對表面張力的大小存在影響。對于表面張力系數(shù)的測量，該實驗定量裝置提出了基于大氣壓強原理測量液體表面張力系數(shù)的新方法。實驗發(fā)現(xiàn)，該實驗定性定量裝置具有精度更高、成本更低、可操作性更強等優(yōu)點。

表面張力在我們?nèi)粘Ｉ钪袩o處不在，荷葉上圓圓的露珠，水龍頭緩緩垂下的水滴等。該定性裝置以簡單的操作方式，可持續(xù)性地演示表面張力現(xiàn)象。目前，表面張力測定方法分為靜力學法和動力學法。靜力學法有毛細管上升法、最大氣泡壓力法、DuNouy吊環(huán)法和Wilhelmy吊片法、滴重法和滴體積法等；動力學法有振蕩射流法、旋滴法、懸滴法等。目前物理實驗教學中，通常利用焦利氏秤進行實驗測量，其中涉及到使用精確的測力裝置，這使得實驗在非實驗室環(huán)境下較難進行。筆者自制的定量實驗裝置是將吊環(huán)法和大氣壓強原理相結(jié)合，可在較低成本的實驗環(huán)境下測量液體表面張力系數(shù)，且精度較高、操作簡單、重復性強，為測量液體表面張力系數(shù)提供了一種新的方法。

1 表面張力演示儀

1.1 制作材料

鏡子1個，半導體制冷片1個，水蒸氣噴霧機，洗潔精。

1.2 制作方法

(1) 如圖1所示，裝置半導體制冷片制冷面一側(cè)貼緊鏡子，散熱面接觸空氣進行散熱。

(2) 將適量洗潔精涂抹在未與制冷片接觸的鏡面，并且只涂抹鏡子的一半形成對照。

圖1 定性裝置示意圖

半導體制冷片 + 鏡子 + 噴霧裝置

1.3 實驗方法

(1) 打開水蒸氣噴霧機的開關(guān)，確保水蒸氣均勻地噴灑在鏡面上，且注意保持水蒸氣適量，確保鏡子上形成"霧面"，而不是成流滴落，本次僅是對照實驗。

(2) 打開半導體制冷片開關(guān)，使鏡面溫度降低，等待鏡面上的霧面消失即可。

(3) 將一半鏡子涂抹洗潔精，再次打開水蒸氣噴霧機開關(guān)，均勻噴灑水蒸氣，并觀察實驗現(xiàn)象。

1.4 實驗原理

如圖2所示，空氣中的水蒸氣遇到鏡子，鏡子的表面溫度低于空氣，水蒸氣液化形成小水珠，小水珠因為表面張力附著在鏡面上。小水珠的形狀像小透鏡，光線經(jīng)過透鏡多次發(fā)生折射與反射現(xiàn)象，使得觀察者無法看到鏡面反射的光線，所以呈現(xiàn)出霧面。而為什么水蒸氣沒有滑落。

圖2 接觸面示意圖

水珠、鏡面與空氣接觸界面

把液體和固體接觸的面積看做一個系統(tǒng)，這塊面積上固體對液體以及空氣都有表面張力，當這些力達到平衡時，就決定了液體的形狀。水滴與固體表面之間的夾角，即為接觸角。于某一固體表面上，當θ角趨于零時，水珠容易在鏡面鋪展成水膜，光線在水膜里進行的折射與反射現(xiàn)象次數(shù)遠遠小于在水珠中的次數(shù)，因此，水膜并不會對鏡面成像造成太大影響使其看起來不像起霧了，這種表面的性質(zhì)就稱為超親水介質(zhì)。而當θ角較大時，液體會形成水珠狀，且容易從固體的表面滑落，這種表面的性質(zhì)就叫超疏水介質(zhì)。而水蒸氣遇冷液化在鏡子表面形成"霧面"是因為鏡子的表面既不是超親水介質(zhì)使液體形成水膜，也不是超疏水介質(zhì)使液體形成水珠滾落。

而本實驗中，涂抹洗潔精的鏡子部位沒有起霧的原因是洗潔精和肥皂含有憎水基(各種烴基)和親水基(羧基)，當洗潔精的親水基與水發(fā)生接觸時，液體分子與表面活性劑的親和力強，所以，水分子間的吸引力被親水基與水的吸引力所影響，進而使水的表面張力降低。這樣鏡面的性質(zhì)就變?yōu)榱顺H水，水蒸氣在涂抹洗潔精的鏡子表面液化形成的液體就會是呈現(xiàn)"水膜"的狀態(tài)。該實驗裝置中的半導體制冷片可以降低鏡面表面溫度。

因為首先當溫度升高時，表面層水分子熱運動加劇，熱運動導致水分子之間距離增大，距離增大則水分子之間相互作用的拉力將減小，所以水蒸氣就算液化了也很難形成水珠的形狀粘在鏡面上。其次水蒸氣會使得鏡子溫度升高，當溫度高過周圍水蒸氣的凝結(jié)點，水蒸氣就不足以達到遇冷液化的條件，就不會凝結(jié)在鏡面形成水珠，即不會形成"霧面"。且半導體制冷片是可控的，當實驗完成后，只要使用半導體制冷片，鏡子上形成液化的水珠就會再次汽化使"霧面"消失，該定性裝置的優(yōu)點在于能直觀具體地、持續(xù)性地演示表面張力現(xiàn)象，故而在同一節(jié)課上，教師可以利用該裝置多次重復為學生演示。

2 基于大氣壓強原理測量液體表面張力系數(shù)的新方法

2.1 測量原理與測量裝置

該定量裝置利用吊環(huán)拉脫法與大氣壓強原理相結(jié)合的方法。吊環(huán)拉脫法實驗原理如圖3所示。

圖3 吊環(huán)拉脫法原理

將一內(nèi)、外直徑分別為D1、D2的金屬環(huán)懸掛在定滑輪上。先將它浸入液體中，然后轉(zhuǎn)動升降臺，緩慢地將液體下移，此時金屬環(huán)會拉起一個與液體相連的水柱。此水柱的形成是因為金屬吊環(huán)受到了液體表面張力的作用。由于金屬環(huán)會受到液體表面向下的拉力，定滑輪給金屬環(huán)向上的拉力逐漸變大，達到一定值(即為液體表面張力值)時，水柱會破裂。金屬吊環(huán)受到的表面張力表現(xiàn)為吊環(huán)內(nèi)外圓受到液面以一定的拉力F作用，此拉力方向垂直于線段，大小與吊環(huán)的內(nèi)外直徑呈正比。即

F = σπ(D1 + D2) (1)

其中σ為液體表面張力系數(shù)，數(shù)值上為液體表面單位長度上受到的表面張力大小，單位為N/m。