摘 要

通过自制实验装置演示镜子起雾现象证明了液体表面张力的存在，同时也证明了表面活性剂对表面张力的大小存在影响。对于表面张力系数的测量，该实验定量装置提出了基于大气压强原理测量液体表面张力系数的新方法。实验发现，该实验定性定量装置具有精度更高、成本更低、可操作性更强等优点。

表面张力在草莓视频APP官网日常生活中无处不在，荷叶上圆圆的露珠，水龙头缓缓垂下的水滴等。该定性装置以简单的操作方式，可持续性地演示表面张力现象。目前，表面张力测定方法分为静力学法和动力学法。静力学法有毛细管上升法、最大气泡压力法、DuNouy吊环法和Wilhelmy吊片法、滴重法和滴体积法等；动力学法有振荡射流法、旋滴法、悬滴法等。目前物理实验教学中，通常利用焦利氏秤进行实验测量，其中涉及到使用精确的测力装置，这使得实验在非实验室环境下较难进行。笔者自制的定量实验装置是将吊环法和大气压强原理相结合，可在较低成本的实验环境下测量液体表面张力系数，且精度较高、操作简单、重复性强，为测量液体表面张力系数提供了一种新的方法。

1 表面张力演示仪

1.1 制作材料

镜子1个，半导体制冷片1个，水蒸气喷雾机，洗洁精。

1.2 制作方法

(1) 如图1所示，装置半导体制冷片制冷面一侧贴紧镜子，散热面接触空气进行散热。

(2) 将适量洗洁精涂抹在未与制冷片接触的镜面，并且只涂抹镜子的一半形成对照。

图1 定性装置示意图

半导体制冷片 + 镜子 + 喷雾装置

1.3 实验方法

(1) 打开水蒸气喷雾机的开关，确保水蒸气均匀地喷洒在镜面上，且注意保持水蒸气适量，确保镜子上形成"雾面"，而不是成流滴落，本次仅是对照实验。

(2) 打开半导体制冷片开关，使镜面温度降低，等待镜面上的雾面消失即可。

(3) 将一半镜子涂抹洗洁精，再次打开水蒸气喷雾机开关，均匀喷洒水蒸气，并观察实验现象。

1.4 实验原理

如图2所示，空气中的水蒸气遇到镜子，镜子的表面温度低于空气，水蒸气液化形成小水珠，小水珠因为表面张力附着在镜面上。小水珠的形状像小透镜，光线经过透镜多次发生折射与反射现象，使得观察者无法看到镜面反射的光线，所以呈现出雾面。而为什么水蒸气没有滑落。

图2 接触面示意图

水珠、镜面与空气接触界面

把液体和固体接触的面积看做一个系统，这块面积上固体对液体以及空气都有表面张力，当这些力达到平衡时，就决定了液体的形状。水滴与固体表面之间的夹角，即为接触角。于某一固体表面上，当θ角趋于零时，水珠容易在镜面铺展成水膜，光线在水膜里进行的折射与反射现象次数远远小于在水珠中的次数，因此，水膜并不会对镜面成像造成太大影响使其看起来不像起雾了，这种表面的性质就称为超亲水介质。而当θ角较大时，液体会形成水珠状，且容易从固体的表面滑落，这种表面的性质就叫超疏水介质。而水蒸气遇冷液化在镜子表面形成"雾面"是因为镜子的表面既不是超亲水介质使液体形成水膜，也不是超疏水介质使液体形成水珠滚落。

而本实验中，涂抹洗洁精的镜子部位没有起雾的原因是洗洁精和肥皂含有憎水基(各种烃基)和亲水基(羧基)，当洗洁精的亲水基与水发生接触时，液体分子与表面活性剂的亲和力强，所以，水分子间的吸引力被亲水基与水的吸引力所影响，进而使水的表面张力降低。这样镜面的性质就变为了超亲水，水蒸气在涂抹洗洁精的镜子表面液化形成的液体就会是呈现"水膜"的状态。该实验装置中的半导体制冷片可以降低镜面表面温度。

因为首先当温度升高时，表面层水分子热运动加剧，热运动导致水分子之间距离增大，距离增大则水分子之间相互作用的拉力将减小，所以水蒸气就算液化了也很难形成水珠的形状粘在镜面上。其次水蒸气会使得镜子温度升高，当温度高过周围水蒸气的凝结点，水蒸气就不足以达到遇冷液化的条件，就不会凝结在镜面形成水珠，即不会形成"雾面"。且半导体制冷片是可控的，当实验完成后，只要使用半导体制冷片，镜子上形成液化的水珠就会再次汽化使"雾面"消失，该定性装置的优点在于能直观具体地、持续性地演示表面张力现象，故而在同一节课上，教师可以利用该装置多次重复为学生演示。

2 基于大气压强原理测量液体表面张力系数的新方法

2.1 测量原理与测量装置

该定量装置利用吊环拉脱法与大气压强原理相结合的方法。吊环拉脱法实验原理如图3所示。

图3 吊环拉脱法原理

将一内、外直径分别为D1、D2的金属环悬挂在定滑轮上。先将它浸入液体中，然后转动升降台，缓慢地将液体下移，此时金属环会拉起一个与液体相连的水柱。此水柱的形成是因为金属吊环受到了液体表面张力的作用。由于金属环会受到液体表面向下的拉力，定滑轮给金属环向上的拉力逐渐变大，达到一定值(即为液体表面张力值)时，水柱会破裂。金属吊环受到的表面张力表现为吊环内外圆受到液面以一定的拉力F作用，此拉力方向垂直于线段，大小与吊环的内外直径呈正比。即

F = σπ(D1 + D2) (1)

其中σ为液体表面张力系数，数值上为液体表面单位长度上受到的表面张力大小，单位为N/m。