摘 要

通過自制實驗裝置演示鏡子起霧現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的新方法。實驗發現，該實驗定性定量裝置具有精度更高、成本更低、可操作性更強等優點。

表面張力在我們日常生活中無處不在，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，可持續性地演示表面張力現象。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境下較難進行。筆者自制的定量實驗裝置是將吊環法和大氣壓強原理相結合，可在較低成本的實驗環境下測量液體表面張力系數，且精度較高、操作簡單、重復性強，為測量液體表面張力系數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，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，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，均勻噴灑水蒸氣，并觀察實驗現象。

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，光線經過透鏡多次發生折射與反射現象，使得觀察者無法看到鏡面反射的光線，所以呈現出霧面。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，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象次數遠遠小于在水珠中的次數，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，這種表面的性質就稱為超親水介質。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，這種表面的性質就叫超疏水介質。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使液體形成水膜，也不是超疏水介質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。這樣鏡面的性質就變為了超親水，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"水膜"的狀態。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點，水蒸氣就不足以達到遇冷液化的條件，就不會凝結在鏡面形成水珠，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，該定性裝置的優點在于能直觀具體地、持續性地演示表面張力現象，故而在同一節課上，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的新方法

2.1 測量原理與測量裝置

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

圖3 吊環拉脫法原理

將一內、外直徑分別為D1、D2的金屬環懸掛在定滑輪上。先將它浸入液體中，然后轉動升降臺，緩慢地將液體下移，此時金屬環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受到了液體表面張力的作用。由于金屬環會受到液體表面向下的拉力，定滑輪給金屬環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。金屬吊環受到的表面張力表現為吊環內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，大小與吊環的內外直徑呈正比。即

F = σπ(D1 + D2) (1)

其中σ為液體表面張力系數，數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。