空心半球殼內(nèi)注入液體測量液體表面張力系數(shù)的方法
【專利摘要】空心半球殼內(nèi)注入液體測量液體表面張力系數(shù)的方法涉及物理參數(shù)的測量。技術(shù)方案是：外側(cè)半球半徑為R空心的半球殼，半球殼開口的厚度為2cm，空心半球殼的平均密度小于液體的密度；測量半球殼的質(zhì)量m和半球殼的外側(cè)半徑R，然后將半球殼浮在一個水槽內(nèi)的液面上，一根輸液管的一端連接到一個量筒，記錄輸液管連接的量筒的液面刻度V始，將輸液管的管口放入到空心的半球殼內(nèi)，在空心半球殼外部的液體將越過半球殼開口的內(nèi)外兩側(cè)之間的邊界時，記錄輸液管量筒的讀數(shù)V終，液體表面張力系數(shù)σ=[m+ρ*（V始-V終）-ρ*（2πR3）/3]/(2πR)。有益效果是：本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，操作容易。
【專利說明】空心半球殼內(nèi)注入液體測量液體表面張力系數(shù)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，毛細管法雖然簡單，但是液面彎曲，測量液柱的高度不夠準確，由于毛細管外側(cè)的液面也沿著毛細管外側(cè)的管壁上升，因此，在確定液面的水平位置的坐標值比較困難，從而導(dǎo)致確定毛細管內(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。
[0004]技術(shù)方案是:空心半球殼內(nèi)注入液體測量液體表面張力系數(shù)的方法，其特征是:一個空心的半球殼,外部半球半徑為R，也就是半球殼開口所在的圓環(huán)的外側(cè)圓半徑為R，空心的半球殼的底部的外層材料內(nèi)側(cè)或/和內(nèi)層材料的外側(cè)相對于空心半球殼的上部而言比較厚，并關(guān)于中心軸對稱分布，即為旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，目的就是使其重心向半球殼的底部偏移，利于增強其穩(wěn)定性；半球殼開口所在的圓環(huán)的外側(cè)圓半徑為R與內(nèi)側(cè)圓半徑之差大于或者等于2cm，也就是半球殼開口所在平面內(nèi)的空心半球殼的厚度為2cm;空心的半球殼的平均密度為半球殼的質(zhì)量m與半球殼所圍成半球的體積為2 R3/3相除，平均密度=3m/(2 R3)，空心半球殼的平均密度小于液體的密度，由于液體密度隨著溫度變化有較大變化，隨著壓強變化相對較小，此處的液體密度指一個標準大氣壓下維持液態(tài)的最大密度；測量空心半球殼的質(zhì)量m和半球殼開口所在圓環(huán)的外側(cè)圓的半徑R,然后將空心半球殼浮在一個水槽內(nèi)的液面上,一根輸液管的一端連接到一個量筒,量筒內(nèi)容納著液體,量筒的液體能夠通過輸液管流到輸液管的管口，輸液管有流速調(diào)節(jié)開關(guān)，當輸液管口有液體流出時，關(guān)閉輸液管的開關(guān)，記錄輸液管連接的量筒的液面刻度Vfe，將輸液管的管口放入到空心半球殼內(nèi)，緩慢打開輸液管的開關(guān)，使液體緩慢注入到空心半球殼內(nèi)，緩慢的速度是確?？招陌肭驓げ粫霈F(xiàn)擺動或者抖動，如果有擺動或者抖動，會導(dǎo)致測量失敗，如果出現(xiàn)擺動或者抖動，則需要關(guān)小輸液管的開關(guān)從而減緩輸液的速度；隨著輸液管的液體流入到空心半球殼內(nèi)，空心半球殼和內(nèi)部的液體總質(zhì)量增加，重力增加，空心半球殼將下沉，浮力增加，液面逐漸接近空心半球殼的半球殼開口，在最初液體接觸半球殼開口時，由于表面張力作用，水槽中的液體不會流進空心半球殼內(nèi)部，繼續(xù)向空心半球殼內(nèi)部注入液體，液體的重力逐漸削弱表面張力的作用，當空心半球殼加上其內(nèi)部液體的重力之和等于排開的與空心半球殼等體積的液體的重力加上表面張力之和時，空心半球殼外部的液體將越過半球殼開口的內(nèi)外兩側(cè)之間的邊界，導(dǎo)致空心半球殼開始下沉，此時關(guān)閉輸液管的開關(guān)，記錄輸液管量筒的讀數(shù)V? ;量筒注入液體的質(zhì)量為P* (vfe- Vft)，其中P為液體的密度，排開液體的質(zhì)量為p*v=p* (2 31 R3)/3,則液體的表面張力為m+P * (V始-V終)-P* (2 π R3)/3,液體表面張力系數(shù) σ=[ m+p* (V始-V終)-P * (2 3i R3) /3]/( 2 π R)。
[0005]有益效果是:半球殼的底部厚、上端薄，其重心向半球殼的底部偏移，有利于增強其穩(wěn)定性，減少其液體注入時產(chǎn)生的搖晃；有利于觀察液體表面張力的表現(xiàn)形式；相對于現(xiàn)有技術(shù)的難調(diào)節(jié)、高成本，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，操作容易。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1是半球殼示意圖，圖2半球殼縱剖示意圖。
[0007]其中，1、半球殼,2、半球殼開口，3、輸液管。

【具體實施方式】
[0008]一個空心(中空)的半球殼1，外部半球半徑為R，由于是半球殼，也就是半球殼開口2所在的圓環(huán)的外圓半徑為R，空心的半球殼I的底部的外層材料內(nèi)側(cè)或/和內(nèi)層材料的外側(cè)比較厚，并關(guān)于中心軸對稱分布(旋轉(zhuǎn)體)，如圖2所示，目的就是使其重心向半球殼I的底部偏移，有利于增強其穩(wěn)定性；半球殼開口 2所在的圓環(huán)的外圓半徑為R與內(nèi)圓半徑之差大于或者等于2cm (即半球殼開口 2的厚度)，空心的半球殼I的平均密度為半球殼I的質(zhì)量m與半球殼I所圍成半球的體積為2 R3/3相除，平均密度=3m/ (2 π R3)，半球殼I的平均密度小于液體的密度，最佳取值為液體密度0.85-0.95倍，由于液體密度隨著溫度變化有較大變化，隨著壓強變化相對較小，此處的液體密度指一個標準大氣壓下維持液態(tài)的最大密度。
[0009]測量半球殼I的質(zhì)量m和外圓半徑R(能夠通過測量半球殼開口 2的外徑，外徑的一半得到R)，然后將半球殼I懸浮在一個水槽內(nèi)的液體中，一根輸液管3連接到一個量筒，量筒內(nèi)容納著液體，量筒的液體能夠通過輸液管3流到輸液管3的管口，輸液管3有流速調(diào)節(jié)開關(guān)，流速調(diào)節(jié)開關(guān)為現(xiàn)有技術(shù)，在醫(yī)院使用的輸液管上就有一個流速調(diào)節(jié)開關(guān)。當輸液管口有液體流出時，關(guān)閉輸液管3的開關(guān),記錄輸液管3連接的量筒的液面刻度V@,將輸液管3的管口放入到空心的半球殼I內(nèi)，緩慢打開輸液管3的開關(guān)，使液體緩慢注入到空心的半球殼內(nèi)，緩慢的速度是確?？招陌肭驓不會出現(xiàn)擺動或者抖動，如果有擺動或者抖動，會導(dǎo)致測量失敗，當出現(xiàn)擺動或者抖動時，則需要關(guān)小輸液管3的開關(guān)從而減緩輸液的速度；隨著輸液管3的液體流入到空心的半球殼I內(nèi)，空心半球殼I以及內(nèi)部的液體總質(zhì)量增力口，重力增加，空心半球殼I將下沉，浮力增加，液面逐漸接近空心半球殼I的半球殼開口 2，在最初液體接觸半球殼開口 2時，由于表面張力作用，水槽中的液體不會流進空心半球殼I內(nèi)部，此時浮力等于空心半球殼I和內(nèi)部液體的重力之和；繼續(xù)向空心半球殼I內(nèi)部注入液體，液體的重力逐漸削弱表面張力的作用，當空心半球殼I加上其內(nèi)部液體的重力之和等于排開與空心半球殼I等體積的液體的重力加上表面張力之和時，空心半球殼I外部的液體將越過空心半球殼開口 2的內(nèi)外兩側(cè)之間的邊界(為減少液面波動對測量的影響，空心半球殼I的內(nèi)外兩側(cè)之間的邊界，即半球殼開口 2的厚度建議在2cm或2cm以上)，此時關(guān)閉輸液管3的開關(guān)，記錄輸液管I連接的量筒的讀數(shù)然后空心半球I殼開始下沉并最終沉沒。
[0010]量筒注入液體的質(zhì)量為P* (V始-Vs)，排開液體的質(zhì)量為Ρ*ν=Ρ* (2 31 R3)/3,則液體的表面張力為m+P * (V始-V ^)-P* (2 R3)/3 ;根據(jù)液體表面張力與液體表面張力系數(shù)的關(guān)系，液體的表面張力又可以表示為2 31 R* O，因此2 JI R* O = m+p * (V始-V終)-P *(2 R3)/3,所以液體表面張力系數(shù) σ =[ m+p* (V始-V終)-P* (2 π R3) /3]/( 2 π R)。
[0011]對于表面張力的理解，一個物體漂浮在液面上，其浮力等于物體的重量，由于表面張力的作用，對于能夠被液體浸潤的物體，液體會有一部分粘附于物體表面，其排開的液體體積應(yīng)該是液面以下的部分，本處的液面不是指與物體接觸處的液面，而是遠離接觸處的液面(液體水平面)。由浮力原理，排開的體積V與液體密度P相乘P*V與物體的質(zhì)量m相等，但是由于表面張力的作用，一部分液體高于液面的高度并粘附在物體上。
[0012]在本發(fā)明的測量過程中，能夠發(fā)現(xiàn)球殼外粘附的液體高于液體水平面；粘附的液體與水平面平齊(此時浮力等于P*V=P* (2 R3)/3);受表面張力作用，液面高于空心半球殼開口 2所在的平面(這種現(xiàn)象，在某些小蟲踩在水面也能觀察到)，繼續(xù)注入液體，超過表面張力后，空心半球殼沉沒。
[0013]對于純水，20攝氏度的表面張力系數(shù)為0.073N/m,其中N/m為牛頓/米，如果 R 取 10.0Ocm,平均密度取 0.85g/cm3，則 m=0.85 g/cm3* (2 π R3/3) =1780 克，如果平均密度取 0.95g/cm3，則 m=0.95 g/cm3*(2 π R3/3) =1990 克，排開水的質(zhì)量 P * (2 n R3)/3=2094克(水的密度按lg/cm3估計)，表面張力2* π σ =0.045Ν，在重力加速度取1N/Kg的粗略估計下，表面張力大致相當于4.5克物體產(chǎn)生的重力，則需要注入的液體的質(zhì)量為2094+4.6-1780=318.6克(大致相當于318.6毫升)，對于平均密度為0.95g/cm3，2094+4.6-1990=108.6克(大致相當于108.6毫升)，在當今的實驗室的電子天平或者其它天平，在量程3000克(測量本實驗空心球殼質(zhì)量1990克所需要的量程)，都能夠測量這樣的一個差值(4.6克)，比如，在網(wǎng)絡(luò)上能夠查詢到，電子精密天平-JH3102，量程:3100g，精度:1mg (即0.01克)，因此，本發(fā)明具有可實施性。
【權(quán)利要求】
1.空心半球殼內(nèi)注入液體測量液體表面張力系數(shù)的方法,其特征是:一個空心的半球殼(1)，外部半球半徑為R，空心的半球殼(I)的底部的外層材料內(nèi)側(cè)或/和內(nèi)層材料的外側(cè)相對于空心半球殼(I)的上部而言比較厚，并關(guān)于中心軸對稱分布，即為旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，目的就是使其重心向半球殼(I)的底部偏移，利于增強其穩(wěn)定性；半球殼開口(2)所在的圓環(huán)的外側(cè)圓半徑為R與內(nèi)側(cè)圓半徑之差大于或者等于2cm，也就是半球殼開口(2)所在平面內(nèi)的空心半球殼(I)的厚度為2cm ;空心的半球殼(I)的平均密度為半球殼(I)的質(zhì)量m與半球殼(I)所圍成半球的體積為2 Ji R3/3相除，平均密度=3m/ (2 Ji R3)，空心半球殼(I)的平均密度小于液體的密度，此處的液體密度指一個標準大氣壓下維持液態(tài)的最大密度；測量空心半球殼(I)的質(zhì)量m和半球殼開口(2)所在圓環(huán)的外側(cè)圓的半徑R,然后將空心半球殼(I)浮在一個水槽內(nèi)的液面上，一根輸液管(3)的一端連接到一個量筒，量筒內(nèi)容納著液體，量筒的液體能夠通過輸液管(3)流到輸液管(3)的管口，輸液管(3)有流速調(diào)節(jié)開關(guān)，當輸液管口有液體流出時，關(guān)閉輸液管(3)的開關(guān),記錄輸液管(3)連接的量筒的液面刻度N炮,將輸液管(3)的管口放入到空心半球殼(I)內(nèi)，緩慢打開輸液管(3)的開關(guān)，使液體緩慢注入到空心半球殼(I)內(nèi)，緩慢的速度是確?？招陌肭驓?I)不會出現(xiàn)擺動或者抖動，隨著輸液管(3)的液體流入到空心半球殼(I)內(nèi)，空心半球殼(I)和內(nèi)部的液體總質(zhì)量增加，重力增加，空心半球殼(I)將下沉，浮力增加，液面逐漸接近空心半球殼(I)的半球殼開口(2)，在最初液體接觸半球殼開口(2)時，由于表面張力作用，水槽中的液體不會流進空心半球殼(O內(nèi)部，繼續(xù)向空心半球殼內(nèi)部注入液體，液體的重力逐漸削弱表面張力的作用，當空心半球殼(I)加上其內(nèi)部液體的重力之和等于排開的與空心半球殼等體積的液體的重力加上表面張力之和時，空心半球殼(I)外部的液體將越過半球殼開口(2)的內(nèi)外兩側(cè)之間的邊界，導(dǎo)致空心半球(I)殼開始下沉，此時關(guān)閉輸液管(3)的開關(guān)，記錄輸液管(I)量筒的讀數(shù)V? ;量筒注入液體的質(zhì)量為P* (Vfe- Vft)，其中P為液體的密度，排開液體的質(zhì)量為p*V=p* (2 R3)/3,則液體的表面張力為m+P * (V始-V終)-P* (2 π R3)/3,液體表面張力系數(shù) σ=[ m+p* (V始-V終)-P* (2 R3) /3]/( 2 π R)。
【文檔編號】G01N13/02GK104458508SQ201410706563
【公開日】2015年3月25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, 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, 朱俊, 何原 申請人:四川大學(xué)