楊 武, 杜大威，石曉燕，賈海濤，岳海洋，鄧傳迅，歐海峰

(河南工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院 物理系,河南 鄭州 450001)

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，許多儀器配有連接電腦的端口，可以與電腦相連接，通過專門的電腦軟件采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[1]. 然而，由于配置額外的電腦會(huì)使得購(gòu)買儀器的成本增加，使得在實(shí)際的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，只有極少數(shù)的實(shí)驗(yàn)儀器配備了專門的數(shù)據(jù)采集電腦，而絕大部分的實(shí)驗(yàn)儀器需要人工記錄數(shù)據(jù). 隨著社會(huì)的發(fā)展，智能手機(jī)已經(jīng)越來(lái)越普及，在一些輕量級(jí)的應(yīng)用環(huán)境中，智能手機(jī)的便攜性、可靠性以及靈活性已經(jīng)遠(yuǎn)超臺(tái)式電腦或筆記本電腦. 因此，如果能以現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器為基礎(chǔ)平臺(tái)，將這些儀器進(jìn)行改裝，使其能方便地連接到智能手機(jī)，并通過智能手機(jī)控制儀器、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將極大地提高實(shí)驗(yàn)效率并減小實(shí)驗(yàn)誤差(特別是需要連續(xù)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目)，也省去了為儀器專門配備電腦的額外支出.

因此，針對(duì)該問題，筆者在已開設(shè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，選擇了“用拉脫法測(cè)液體表面張力系數(shù)”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)：對(duì)已有的液體表面張力測(cè)量?jī)x進(jìn)行了智能化改造——加裝額外的藍(lán)牙通訊模塊，并利用智能手機(jī)的藍(lán)牙功能，使實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)量的數(shù)據(jù)能夠通過藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)上；并自主開發(fā)了專門的手機(jī)實(shí)驗(yàn)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行控制，通過手機(jī)完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，并把采集到的所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在手機(jī)屏幕進(jìn)行繪圖，通過觀察手機(jī)屏幕上數(shù)據(jù)曲線的變化，能簡(jiǎn)單迅速地得到精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

1 傳統(tǒng)模式下的液體表面張力系數(shù)測(cè)量

采用拉脫法測(cè)量液體表面張力系數(shù)的原理簡(jiǎn)單、現(xiàn)象直觀，是目前測(cè)量液體表面張力系數(shù)中最常用的方法[2-5].

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)采用的儀器為FD-NST-B型液體表面張力系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀，如圖1所示，由硅壓阻力敏傳感器(肌張力傳感器)、液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x主機(jī)以及鑷子、砝碼組成. 該實(shí)驗(yàn)的測(cè)量過程為：通過硅壓阻力敏傳感器(肌張力傳感器)將金屬環(huán)所受到的微弱的液體表面張力轉(zhuǎn)換為電壓值信號(hào)，該電壓信號(hào)通過連接線傳輸?shù)綔y(cè)量?jī)x主機(jī)，經(jīng)過它的放大處理在其儀器的讀數(shù)顯示窗口上顯示出來(lái). 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由讀數(shù)窗口讀出[6-7].

圖1 FD-NST-B型液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

將金屬環(huán)固定在硅壓阻力敏傳感器上，使該環(huán)浸沒于液體中，并漸漸拉起圓環(huán)，當(dāng)它從液面拉脫瞬間傳感器受到的拉力差值f為

f=π(D1+D2)α.

(1)

式中,D1和D2分別為圓環(huán)的外徑和內(nèi)徑，液體表面張力系數(shù)α為

(2)

液體表面張力為

(3)

式中,B為力敏傳感器的靈敏度，U1和U2分別為即將拉斷水柱時(shí)數(shù)字電壓表讀數(shù)以及拉斷時(shí)數(shù)字電壓表的讀數(shù).

在實(shí)驗(yàn)中，只需要記錄金屬環(huán)拉斷液柱時(shí)的前一瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)U1和拉斷后數(shù)字電壓表讀數(shù)U2,代入(3)式就可以算出表面張力系數(shù)[8-9]. 金屬環(huán)在拉斷液柱前后的狀態(tài)如圖2所示，在拉斷液柱的瞬間，拉力變化較快，電壓表讀數(shù)變化也較快，需認(rèn)真記錄讀數(shù)的變化.

(a)拉斷液柱前

(b)拉斷液柱后圖2 金屬環(huán)在拉斷液柱前后的狀態(tài)

1.3 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)分析

在用拉脫法測(cè)量液體表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)中，最關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是記錄金屬環(huán)拉斷液柱前的瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)U1和拉斷液柱后的數(shù)字電壓表讀數(shù)U2；在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生需要一邊觀察金屬環(huán)與液體表面的連接情況，一邊又要觀察實(shí)驗(yàn)儀器上顯示面板的數(shù)值變化，而金屬環(huán)與液面是瞬間脫離的，學(xué)生需要緊盯顯示面板觀察記錄電壓值的變化. 由于“拉斷液柱”的過程變化太快，因此導(dǎo)致數(shù)字電壓表的數(shù)據(jù)變化也很快，僅依靠人眼睛觀察，很可能會(huì)來(lái)不及記錄數(shù)據(jù)的變化，或者記錄數(shù)據(jù)的時(shí)刻不夠準(zhǔn)確，從而增加了讀取數(shù)據(jù)的偶然因素，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差過大[10-14]. 此外，在這種模式下，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中表面張力的變化趨勢(shì)(電壓值變化趨勢(shì))并沒有直觀地了解，難以發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律，也不了解各個(gè)階段拉力的具體變化.

2 基于智能手機(jī)的液體表面張力系數(shù)測(cè)量

針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街杏涗洈?shù)據(jù)的缺點(diǎn)，在智能手機(jī)上開發(fā)了專門的實(shí)驗(yàn)軟件，通過手機(jī)的藍(lán)牙連接到實(shí)驗(yàn)儀器，將實(shí)驗(yàn)所采集到的所有電壓表讀數(shù)實(shí)時(shí)傳送到智能手機(jī)上，然后在智能手機(jī)上以坐標(biāo)點(diǎn)的形式描繪出電壓表讀數(shù)的變化，在智能手機(jī)端就可以觀察到金屬環(huán)與液面分離瞬間的數(shù)據(jù)變化，很方便地讀取到“拉斷液柱”瞬間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器改裝——增加藍(lán)牙通訊模塊

以FD-NST-B液體表面張力測(cè)量?jī)x為基礎(chǔ)平臺(tái)，對(duì)該儀器的電路進(jìn)行部分改造，將HC-06藍(lán)牙通訊模塊添加到系統(tǒng)中，并進(jìn)行相關(guān)的波特率、數(shù)據(jù)位的設(shè)置，成功實(shí)現(xiàn)了用藍(lán)牙信號(hào)傳輸該電壓值數(shù)據(jù)到智能手機(jī).

圖3 藍(lán)牙通訊模塊

藍(lán)牙通信模塊的結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖3所示，采用HC-06藍(lán)牙通訊模塊，支持BlueTooth V2.0藍(lán)牙協(xié)議，傳輸速度在1.8～2.1 M/s范圍內(nèi).

2.2 基于智能手機(jī)的實(shí)驗(yàn)軟件開發(fā)

利用Android Studio軟件進(jìn)行手機(jī)應(yīng)用軟件的研發(fā)，成功開發(fā)出了用于液體表面張力系數(shù)測(cè)量的安卓手機(jī)軟件.

該軟件可以做到對(duì)數(shù)據(jù)的接收、圖形顯示及數(shù)據(jù)可查. 安卓手機(jī)通過藍(lán)牙與儀器中的藍(lán)牙芯片進(jìn)行配對(duì)，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，點(diǎn)擊開始按鈕，手機(jī)向芯片發(fā)出相關(guān)命令，單片機(jī)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù). 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，操作者可以通過放大圖形找到拉斷前和拉斷后的數(shù)據(jù). 此外還可以通過縮放圖形，觀察實(shí)驗(yàn)過程中液體表面張力的整體變化情況，而不僅僅是局限于只記錄拉斷液面前后的數(shù)據(jù).

2.3 手機(jī)實(shí)驗(yàn)軟件的數(shù)據(jù)采集

在測(cè)試過程中，打開手機(jī)實(shí)驗(yàn)軟件，點(diǎn)擊開始按鈕，手機(jī)向?qū)嶒?yàn)設(shè)備請(qǐng)求采集數(shù)據(jù)(每0.2 s采集1個(gè)數(shù)據(jù))，該軟件會(huì)將采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(電壓值)在屏幕上以點(diǎn)線的形式呈現(xiàn)出來(lái)，如圖4所示. 圖4(a)為隨時(shí)間變化的拉力變化曲線，代表拉力的變化：拉力增加，增加到最大值后再減小，當(dāng)金屬環(huán)與液面分?jǐn)鄷r(shí)，拉力有明顯的“斷崖式”的變化[15]；拖動(dòng)手機(jī)屏幕可以放大數(shù)據(jù)，找到“拉斷液柱”時(shí)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，如圖4(b)所示，即為所要記錄的“拉斷液柱”時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓值. 用手指拖動(dòng)屏幕，可以縮小或放大曲線，方便地觀察電壓值的整體變化趨勢(shì)或讀取單個(gè)點(diǎn)的電壓值.

(a) 電壓值變化趨勢(shì)(紅色虛線為“拉斷液柱”時(shí)的位置) (b) 放大后“拉斷液柱”時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖4 手機(jī)實(shí)驗(yàn)軟件界面

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

分別用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶透倪M(jìn)后的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?duì)于純水的液體表面張力系數(shù)進(jìn)行測(cè)量. 實(shí)驗(yàn)中金屬圓環(huán)外徑D1=3.500 cm，內(nèi)徑D2=3.302 cm；儀器的靈敏度B=3.110 7×103mV/N，純水在27 ℃時(shí)表面張力系數(shù)理論值為71.66×10-3N/m.

3.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降臏y(cè)量結(jié)果

人眼直接觀察數(shù)字電壓表，記錄金屬環(huán)拉斷液柱前的瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)U1和拉斷液柱后數(shù)字電壓表的讀數(shù)U2；測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较?人眼觀察)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可得出水的表面張力系數(shù)為(69.6±1.3)×103N/m，Er=2.8%.

3.2 使用手機(jī)軟件的測(cè)量結(jié)果

利用改裝后的液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x和手機(jī)實(shí)驗(yàn)軟件記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可在手機(jī)屏幕實(shí)時(shí)顯示，拖動(dòng)手機(jī)屏幕找到“拉斷液柱”時(shí)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，測(cè)得的U1和U2數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 用手機(jī)實(shí)驗(yàn)軟件測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可得出水的表面張力系數(shù)為(70.46±0.23)×10-3N/m，Er=1.7%.

由以上2種測(cè)量方式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，測(cè)得的數(shù)據(jù)變化幅度較大，表面張力系數(shù)的范圍在67.98×10-3～71.14×10-3N/m之間波動(dòng)，絕對(duì)誤差為1.3×10-3N/m，偶然誤差較大；而使用手機(jī)軟件測(cè)得的數(shù)據(jù)變化幅度很小，表面張力系數(shù)的范圍在只在70.09×10-3～70.84×10-3N/m之間波動(dòng)，絕對(duì)誤差為0.23×10-3N/m，偶然誤差很小，精確度更高.

4 用手機(jī)實(shí)驗(yàn)軟件測(cè)量液體表面張力系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)

通過對(duì)FD-NST-B液體表面張力測(cè)量?jī)x的改裝，并利用手機(jī)實(shí)驗(yàn)軟件來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)手機(jī)實(shí)驗(yàn)軟件能夠自動(dòng)記錄金屬環(huán)與液面分離瞬間的電壓表的數(shù)據(jù)，排除了人為因素的影響，可以不用擔(dān)心在 “拉斷液柱”瞬間由于人眼沒有認(rèn)真觀察而導(dǎo)致記錄數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，減小了實(shí)驗(yàn)的偶然誤差.

2)手機(jī)實(shí)驗(yàn)軟件能將實(shí)驗(yàn)中所采集到的所有數(shù)據(jù)以坐標(biāo)點(diǎn)的形式描繪出電壓變化圖，在智能手機(jī)端可以方便地觀察到實(shí)驗(yàn)過程中表面張力的變化趨勢(shì)，使學(xué)生能深入了解實(shí)驗(yàn)過程中各個(gè)階段拉力的具體變化情況，從而可以更好地理解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)過程.

3)與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较啾?，用手機(jī)實(shí)驗(yàn)軟件測(cè)得的數(shù)據(jù)更穩(wěn)定，精度更高.

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)現(xiàn)有的FD-NST-B液體表面張力測(cè)量?jī)x進(jìn)行智能化改造，將手機(jī)藍(lán)牙連接到實(shí)驗(yàn)儀器，并自主開發(fā)了專門的手機(jī)實(shí)驗(yàn)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行控制，通過手機(jī)完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，并把采集到的數(shù)據(jù)在手機(jī)屏幕進(jìn)行繪圖，通過觀察手機(jī)屏幕上數(shù)據(jù)曲線的變化，能簡(jiǎn)單迅速地得出“拉斷液柱”時(shí)的瞬間的電壓數(shù)據(jù)，從而得到精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù). 相比原來(lái)實(shí)驗(yàn)的模式，該實(shí)驗(yàn)改進(jìn)不但能夠有效排除人為因素的影響，提高實(shí)驗(yàn)精度，而且能使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中表面張力的變化趨勢(shì)有更深入的了解.