剖析用拉脱法测量液体表面张力系数实验误差的原因
摘要任何物理实验不可避免会产生实验误差，一般实验误差呈正态分布，有的实验结果偏大，有的实验结果偏
小，这样实验误差才正常。而用拉脱法测量液体表面张力系
数的实验误差大小主要取决于操作是否合理，操作准确无误，误差就小。所以老师应该在学生操作之前讲清楚如何拉膜以及拉膜过程中一定要做到玻璃套筒上的刻度线，与反光镜面上刻度线以及玻璃套筒上的刻度线的镜像线三线合一，否则就会产生比较大的实验误差。让学生在操作之前就知道出现误差真正的原因，在实验操作过程中尽量避免出现操作的误差。关键词液体表面张力系数拉脱法实验误差
Analysis on the Causes of Experimental Errors in Measur-
ing Liquid Surface Tension Coefficient Using Tearing-off Method //Ai Zhiwei,Wu Hao,Liu Chuansheng Abstract There will inevitably be experimental errors in any physical experiment,while the general experimental errors are normally distributed,and some experimental results are large,and some experimental results are small,which is normal.The degree of experimental errors in measuring liquid surface tension coefficient using tearing-off method depends mainly on whether the operation is reasonable and accurate.Therefore,before stu-dents'operation,the teacher should clearly explain ho
w to pull the film,that it should reach the scale line on the glass sleeve in the process of pulling the film,and that the scale line on the glass sleeve should coincide with its mirror line as well as the scale line on the reflective mirror,otherwise it will produce a relatively large experimental error.The teacher should let students know the real reasons of errors before the operation,so as to avoid operation er-rors as far as possible in the experiment process.Key words liquid surface tension coefficient;tearing-off method;experimental errors 1引言大学物理实验是为培养学生的创新能力和实践能力、提高学生的科学素质打下基础的极其重要的教学环节。随着时代发展，特别是近年来物理学在其他学科中渗透和广泛的应用，大学物理实验内容日益丰富，对学生要求越来越高。所以作为教学中重要环节的教师必须要有“激发兴趣、
夯实基础、增强能力、探索创新”教学的指导思想。作者长期从事大学物理实验教学工作，根据作者多年教学经验来看，发现大学物理实验开设内容很多，但真正锻炼学生动手能力的实验不多，大多数实验学生只需记录几十个实验数据，之后花费大量的时间来处理实验数据，锻炼学生动手能力的价值不大。用拉脱法测量液体表面张力系数实验是传统经典大学物理实验，有几十年的历史。而拉脱法测液体表面张力系数实验，是力学实验中对大学生的动手能力最有锻炼价值的实验之一。这是因为学生做该实验时手、眼、脑并用，所以让学生留下了终生难忘的印象。但是，该实验在操作和处理教材上讲得过于简单，还有一些地方值得仔细探讨和说明，本文就此发表作者个人的观点。2“拉脱法测液体表面张力系数”实验的原理
2.1液体的表面张力系数
液体与固体或气体（或两种液体）的分界面称为液体的表面。在液体的表面以下厚度约为分子作用半径的区间称为表面层，位于液体表面层的分子比液体内部的分子具有更大的能量，属于表面层内分子的内能，常称为液体的表面能。根据能量最低原理，表面层的液体分子有尽可能挤入液体内部的趋势，以缩小液体的表面积从而减小系统能量，使液体表面就像弹性薄膜一样[1]。液面的收缩倾向造成的沿着液面切向的收缩张力称为表面张力。衡量表面张力的常数
是液体的表面张力系数，它是表征液体性质的一个重要参数。在表面物理学、表面化学、医学等领域中具有重要的意义。影响液体表面张力系数的因素很多，主要有:（1）与液面的种类有关;（2）与液体的温度有关而与液面面积无关;（3）与液体中杂质的含量有关[1，2]。
3实验操作过程说明
按照教材上原理示意图如图1链接好每一个器件，通过调节仪器下面水平
螺丝，尽可能将仪
器设备调至水平，
使玻璃套筒上的
刻度线，与反光镜
面上刻度线以及
玻璃套筒上的刻
度线的像线三线
合一（视线沿水
平方向），如图1
所示。
L 0是门形金
属丝没有浸入液
体里时游标卡尺
的刻度值。之后
内能与什么有关
慢慢升高装满被测液体玻璃皿让门形金属丝完全浸入液体里，此时玻璃套筒上的刻度线，与反光镜面上刻度线以及玻璃套筒上的刻度线的像线三线可能没有重合，那是因为浮力和薄膜表面张力存在的原因，因此实验过程中不能以此状态作为L0。把薄膜拉破关键就是始终是三线合一，因为不知道什么时候薄膜破裂。具体操作是：右手调节手轮往上拉弹簧，左手调节玻璃皿升降旋钮往下降低液体面，眼睛平视看玻璃管三线合一，一定要同时操作，左右手和眼睛协调一致。三线可能出现三种情况如图2所示。
1）反光镜面上刻度线在玻璃套筒上的刻度线下面，玻璃
套筒上的刻度线在反光镜面上像线在上方。出现这种情况
作者简介：艾志伟（1966—），武汉大学物理与技术学院物理系讲师，博士，主要从事半导体薄膜生长，稀磁半导体材料与性能方面的研究工作。
剖析用拉脱法测量液体表面张力系数实验误差的原因
艾志伟吴昊刘传胜
（武汉大学物理与技术学院湖北·武汉430072）
中图分类号：O552.421文献标识码：A 文章编号：1672-7894（2014）24-0100-02图1拉脱法测量液体表面系数实验装置结构示意图
（下转第105页）
科研应用
100. All Rights Reserved.
The Science Education Article Collects 总第288期2014年8月(下)Total.288
August 2014(C)
（上接第100页）
是玻璃皿液体表面下降
太快，弹簧上升太慢。操作结果是弹簧形变小，弹簧拉力偏小，最终导致测量液体表面张力系数α比正常值偏小。甚至有些学生只让玻璃皿液体表面下降，没有把弹簧往上拉薄膜，也可以把液体薄膜拉破，
此时弹簧拉力为F=0，液体表面张力系数α偏小误差最大。一般出现表面张力系数α偏小的情况。所以老师在检查学生实验结果时候，应该从表面张力系数α大小来判断学生操作情况是否合理，实验α值的偏小，拉膜过程玻璃皿液体表面下降太快，弹簧上升太慢产生的操作误差，让学生重新操作，避免实验操作误差。2）玻璃套筒上的刻度线，与反光镜面上刻度线以及玻璃套筒上的刻度线的像线三线合一。弹簧拉力与液体表面张力相等，误差最小，向上拉弹簧同时降低液体表面，操作时尽可能慢一些，让每一个物理过程尽可能地达到平衡。3）反光镜面上刻度线在玻璃套筒上的刻度线上面，玻璃套筒上的刻度线在反光镜面上像线在下方。出现这种情况是玻璃皿液体表面下降太慢，弹簧上升太快。弹簧形变大，弹簧拉力偏大，最终导致测量液体表面张力系数α比正常值大。甚至有些学生只把弹簧往上拉液体薄膜，玻璃皿液体表面没有下降，也可以把液体薄膜拉破，此时弹簧拉力最大。实验值α偏大。总之，如果学生实验结果在实验误差范围之内说明学生操作正常，可以交实验报告；如果实验结果超出实验误差范围，则要重新操作；如果学生测量液体表面张力系数α比正常值要小，说明玻璃皿液体表面下降太快，弹簧上升太慢产出操作误差；反之测量液体表面张力系数α比正常值要大，则是玻璃皿液体表面下降太慢，弹簧上升太快产出操作误差。告诉学生错误的原因，从而减少操作误差。4讨论
在没有做该实验之前，几乎所有学生都认为肥皂液的
表面张力比清水的表面张力要大得多。那是因为肥皂液可
以轻松地吹出肥皂泡，清水则不可能吹出泡泡。但实际测量
的结果，清水的表面张力要比肥皂液表面张力大得多。学生
就会有疑问：是否测量误差或者是其他原因失误导致测量错
误？此时老师因势利导地告诉学生正因为肥皂液表面张力小
才可以吹肥皂泡，表面张力太大不易吹出泡泡。
测液体表面张力系数的实验开设历史悠久，也进行了
许多次改进，例如利用传感器来控制拉膜的力[5]，这种改进
虽然操作简单，实验的精度提高了，误差降低了，但对学生
的动手能力培养不见得有好处，实验没有什么技术难度，学生做完了实验也没有留下什么深刻的印象，过一段时间都淡忘了，违背开设大学物理实验的初衷。物理实验就是让学生从感性认识到理性认识过程。而用拉脱法测液体表面张力系数是传统的经典力学实验，虽然操作繁杂，精度不高，但对学生左右手的协调和眼脑配合使用都有很高的锻炼价
值，又有助于物理概念的理解，可以使学生终生难忘，这样才达到了开设该实验的目的。
该实验不仅原理简单、仪器设备便宜，且与日常生活紧密相关，还可以培养学生动手动脑能力，纠正学生错误的认
识，是一个非常好的实验。如何使其收到更好的教学效果，
是我们下一步该思考的如何施行教学改进方案的问题。参考文献
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[2]万春华，等.大学物理实验[M].南京：南京大学出版社,1994:112-
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[3]周殿清，张文炳，冯辉.大学物理实验[M].北京：科技出版社,2008:97-100.
[4]艾志伟，吴昊.以液体表面张力系数测量实验为例的PBL 教学模式探讨[J].物理实验,2013(7):20-22.
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滨州学院学报,2010(6):101-103.
编辑王恒平
图2实验中需要观察的三条“刻度线”示意图在风门外侧安装阻车器，阻车器的开启与关闭是与风门连
锁控制的，阻车器的开关完全取决于检测风门开关的传感器信号，当控制器检测到风门打开的信号后，阻车器再执行打开指令，当控制器检测到风门关闭的信号后，阻车器则执行关闭指令。3.5阻车器手动控制功能为了避免由于设备故障系统无法自动运行导致的运输停滞，在阻车器附近安装气动控制箱，可以手动控制阻车器的开闭，既保证了在特殊情况下运输正常也实现了该系统的手动控制方式。3.6风门状态警示功能风门处于关闭状态时，“注意安全”指示灯箱为绿指示灯常亮，当风门打开时，安装在两侧风门处的指示灯箱由绿指示灯变为红指示灯并播报语音。3.7风门阻车器动作不到位自动复位功能当风门打开时，在设定的时间内若风门未完全打开，则自动执行风门关闭指令。当风门关闭时，在设定的时间内若风门未完全关闭，则自动执行风门打开指令，打开指令结束后风门将再次执行关闭指令。当阻车器打开时，在设定的时间内若阻车器未完全打开，则自动执行阻车器关闭指令，关闭指令结束后阻车器再次执行打开指令。当阻车器关闭时，在设定的时间内若阻车器未完全关闭，则自动执行阻车器打开指令，打开指令结束后阻车器再次执行关闭指令。4技术的先进性和可靠性
经过长时间的运行，整个系统能够正常、高效、平稳地
运行，完全能够实现以上功能要求，满足煤矿搬运队单轨吊机车通过运输的要求，运行效果良好。采区风门自动化阻车
系统能够有效的防止单轨吊机车撞击风门、控制风门的自
动启闭。日常维护简单、省时、不费力，且费用低。
该地磁传感器用于检测矿井内的机车是否从安装位置的附近区域经过。当安装有地磁传感器的附近区域内有机车通过时，地磁传感器能够检测到机车并输出驱动信号，驱动语音系统发出语音提示，以保障在该区域内作业的工作
人员的安全。
传感器的最大感应距离会随着安装环境的不同而略有不同。建议安装在距离过车区域2米的范围以内。传感器固定安装之后，尽量不要人为地移动传感器的位置，否则可能
会导致误触发。在传感器安装固定好之后，若位置移动小于
该距离，一般不会导致误触发。本次研究的采区风门自动化阻车系统作为轨道运输系统非常重要的一个环节，目前单
独作为系统运行地并不多见。拟研制的采区风门自动化阻车
系
统可以自
成一个
单
元
，
建设成本和运行成本低，操作简
单，
维护
方
便
，为了
方便系统以后
的
扩
展和
集
成，
系
统
提供
了多种接口，可以方便地接入矿上的自动化平台和机车运输管理系统。采区风门自动化阻车系统的研究开发目前在
国内属于空白，此系统的开发成功会使煤矿的自动化控制
系统更加完善。现在通过遥控功能完成风门的打开和关闭，
直接可以在机车上完成风门的打开闭合，不用单轨吊机车司机上下车来关闭风门。
编辑王恒平105. All Rights Reserved.

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