表面张力虚拟实验

用砝码标定传感器,读取吊环拉脱前后电压,研究润湿和液膜重量。

图 1 吊环内外接触周界与拉脱状态;液膜形状为示意,不作为毛细液面数值解

传感器标定

图 2 重力—电压定标;斜率给出转换系数 $K$

表 1 虚拟标定记录(0 组)

来源质量 / g电压 / mV操作

拉脱数据分析

表 2 虚拟拉脱记录(0 组)

来源前电压 / mV后电压 / mV接触角 / °液膜质量 / mg表观 $\alpha$ / mN/m操作

反演采用当前选中的标定斜率,并按完全润湿、液膜重量忽略的简化式计算。因此接触角与附着液体可使表观值偏离指定值。标定与拉脱来源独立选择;传感器参数改变时须重新标定。

原报告观测

表 3 原报告砝码标定

质量 / mg增重 / mV减重 / mV均值 / mV

表 4 原报告拉脱电压

次数前 / mV后 / mV差 / mV

8组标定、5组拉脱、5组内外径独立保留。分辨率支持条件量化预算,砝码精度、润湿、薄膜重量、迟滞及漂移尚未完整量化。

模型依据

$$L=\pi(D_{\mathrm{in}}+D_{\mathrm{out}}),\quad F_\alpha=\alpha L\cos\theta,\quad K(V_1-V_2)=F_\alpha+m_fg.$$
$$V_{\mathrm{cal}}=V_0+mg/K,\quad\alpha_{\mathrm{app}}=K_{\mathrm{fit}}(V_1-V_2)/L.$$

采用准静态理想吊环,接触角以接触周界处向上竖直切向为零角;内外周界均取同一角。膜重是显式的附加教学量。模型给出拉脱前后两个状态,不提供未经毛细边界求解支持的力—高度曲线。数学关系、参数来源及独立周界数值积分验证见模型证据。

参考文献

赫文豪等,《拉脱法测量液体表面张力系数的误差分析》,大学物理实验2022,35(1):104–109,p105式1–6为吊环周界和润湿关系;本页K为论文电压灵敏度的倒数。DOI 10.14139/j.cnki.cn22-1228.2022.01.023。