摘 要

通過(guò)自制實(shí)驗(yàn)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(shí)也證明了表面活性劑對(duì)表面張力的大小存在影響。對(duì)于表面張力系數(shù)的測(cè)量，該實(shí)驗(yàn)定量裝置提出了基于大氣壓強(qiáng)原理測(cè)量液體表面張力系數(shù)的新方法。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)定性定量裝置具有精度更高、成本更低、可操作性更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

表面張力在我們?nèi)粘Ｉ钪袩o(wú)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(jiǎn)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(cè)定方法分為靜力學(xué)法和動(dòng)力學(xué)法。靜力學(xué)法有毛細(xì)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(dòng)力學(xué)法有振蕩射流法、旋滴法、懸滴法等。目前物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通常利用焦利氏秤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，其中涉及到使用精確的測(cè)力裝置，這使得實(shí)驗(yàn)在非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下較難進(jìn)行。筆者自制的定量實(shí)驗(yàn)裝置是將吊環(huán)法和大氣壓強(qiáng)原理相結(jié)合，可在較低成本的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下測(cè)量液體表面張力系數(shù)，且精度較高、操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性強(qiáng)，為測(cè)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(gè)，半導(dǎo)體制冷片1個(gè)，水蒸氣噴霧機(jī)，洗潔精。

1.2 制作方法

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

圖1 定性裝置示意圖

半導(dǎo)體制冷片 + 鏡子 + 噴霧裝置

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

(1) 打開(kāi)水蒸氣噴霧機(jī)的開(kāi)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(duì)照實(shí)驗(yàn)。

(2) 打開(kāi)半導(dǎo)體制冷片開(kāi)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(kāi)水蒸氣噴霧機(jī)開(kāi)關(guān)，均勻噴灑水蒸氣，并觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

1.4 實(shí)驗(yàn)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?yàn)楸砻鎻埩Ω街阽R面上。小水珠的形狀像小透鏡，光線經(jīng)過(guò)透鏡多次發(fā)生折射與反射現(xiàn)象，使得觀察者無(wú)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(méi)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(gè)系統(tǒng)，這塊面積上固體對(duì)液體以及空氣都有表面張力，當(dāng)這些力達(dá)到平衡時(shí)，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(dāng)θ角趨于零時(shí)，水珠容易在鏡面鋪展成水膜，光線在水膜里進(jìn)行的折射與反射現(xiàn)象次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在水珠中的次數(shù)，因此，水膜并不會(huì)對(duì)鏡面成像造成太大影響使其看起來(lái)不像起霧了，這種表面的性質(zhì)就稱為超親水介質(zhì)。而當(dāng)θ角較大時(shí)，液體會(huì)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?yàn)殓R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(shí)驗(yàn)中，涂抹洗潔精的鏡子部位沒(méi)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(dāng)洗潔精的親水基與水發(fā)生接觸時(shí)，液體分子與表面活性劑的親和力強(qiáng)，所以，水分子間的吸引力被親水基與水的吸引力所影響，進(jìn)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(huì)是呈現(xiàn)"水膜"的狀態(tài)。該實(shí)驗(yàn)裝置中的半導(dǎo)體制冷片可以降低鏡面表面溫度。

因?yàn)槭紫犬?dāng)溫度升高時(shí)，表面層水分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)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(huì)使得鏡子溫度升高，當(dāng)溫度高過(guò)周圍水蒸氣的凝結(jié)點(diǎn)，水蒸氣就不足以達(dá)到遇冷液化的條件，就不會(huì)凝結(jié)在鏡面形成水珠，即不會(huì)形成"霧面"。且半導(dǎo)體制冷片是可控的，當(dāng)實(shí)驗(yàn)完成后，只要使用半導(dǎo)體制冷片，鏡子上形成液化的水珠就會(huì)再次汽化使"霧面"消失，該定性裝置的優(yōu)點(diǎn)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(fù)為學(xué)生演示。

2 基于大氣壓強(qiáng)原理測(cè)量液體表面張力系數(shù)的新方法

2.1 測(cè)量原理與測(cè)量裝置

該定量裝置利用吊環(huán)拉脫法與大氣壓強(qiáng)原理相結(jié)合的方法。吊環(huán)拉脫法實(shí)驗(yàn)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(dòng)升降臺(tái)，緩慢地將液體下移，此時(shí)金屬環(huán)會(huì)拉起一個(gè)與液體相連的水柱。此水柱的形成是因?yàn)榻饘俚醐h(huán)受到了液體表面張力的作用。由于金屬環(huán)會(huì)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(dá)到一定值(即為液體表面張力值)時(shí)，水柱會(huì)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(zhǎng)度上受到的表面張力大小，單位為N/m。