1.一种基于气泡测量表面张力系数和空气粘滞系数的装置，其特征在于，包括缓冲器(1)，与缓冲器(1)相连的变压强器(2)、细管组件(3)、泡孔组件(4)和气压计(9)，与细管组件(3)相连的密封件(5)，设置于泡孔组件(4)一侧的背光源(6)，设置于泡孔组件(4)另一侧的成像设备(7)，以及与成像设备(7)相连的图像数据处理设备(8)；其中，所述气压计(9)用于测量气泡内外的气体压强之差。
2.根据权利要求1所述的基于气泡测量表面张力系数和空气粘滞系数的装置，其特征在于，所述泡孔组件(4)上的孔洞为圆孔，且泡孔组件(4)仅通过孔洞连通所述缓冲器(1)内部气体和外部的环境大气。
3.根据权利要求1所述的基于气泡测量表面张力系数和空气粘滞系数的装置，其特征在于，所述细管组件(3)的直细管的内半径s、长度L与孔洞的半径R应满足式中，η为空气粘滞系数，σ为气泡表面张力系数，ρ为空气密度。
4.根据权利要求1所述的基于气泡测量表面张力系数和空气粘滞系数的装置，其特征在于，所述变压强器(2)采用注射器或注射泵。
5.根据权利要求1所述的基于气泡测量表面张力系数和空气粘滞系数的装置，所述泡孔组件(4)和所述细管组件(3)拆卸式安装于所述缓冲器(1)上。
6.根据权利要求1所述的基于气泡测量表面张力系数和空气粘滞系数的装置，其特征在于，所述泡孔组件(4)和/或所述细管组件(3)与所述缓冲器(1)一体成型。
7.基于气泡测量表面张力系数和空气粘滞系数的方法，其特征在于，采用了如权利要求1～6任一项所述的基于气泡测量表面张力系数和空气粘滞系数的装置，包括如下步骤：
S1，点亮背光源(6)，检查密封件(5)应控制正常，气压计(9)正常显示；调整成像设备(7)使泡孔组件(4)的孔洞附近成像清晰，且孔洞处于视场竖直方向上的中心附近；
S2，控制密封件(5)将细管组件的直细管封堵；利用成膜件蘸取气泡液并涂抹在孔洞上，此时孔洞形成一层液膜；
S3，利用变压强器(2)调整缓冲器(1)的气压，从而在泡孔组件(4)上形成气泡；
S4，在系统趋于准静态时，利用成像设备(7)拍摄气泡图片，并记录对应的气压计(9)数据，调整变压强器(2)并拍摄不同气泡尺寸的图片，记录对应的气压计(9)数据；
S5，在气泡存在且满足设定尺寸的情况下，保持注射器不动，打开成像设备(7)的录像功能，控制密封件(5)取消封堵直细管，气泡收缩，待气泡停止收缩后停止录像；
S6，结合趋于准静态时气压计(9)得到的压强差数据，利用公式或计算出气泡的表面张力系数；式中，Δp为压强差，r为气泡半径，σ为气泡表面张力系数，R为气泡孔洞半径，h为气泡表面各点距离气泡孔洞所在面的最远距离，即气泡顶端的高度；
S7，结合动态过程中气泡尺寸与时间的关系数据，当r满足设定尺寸范围时，气泡近似为完整球体，利用公式计算出空气的粘滞系数；当r满足另一设定尺寸范围时，气泡不再近似完整球，利用公式计算出空气的粘滞系数；式中，η为空气粘滞系数，s为直细管内半径，L为直细管长度，下标0的各物理量均为t＝0时刻的数据。
8.根据权利要求7所述的基于气泡测量表面张力系数和空气粘滞系数的方法，其特征在于，在所述步骤S7中，粘滞系数的具体计算过程如下：
根据泊肃叶方程：

其中Q为通过管道的流体流量，即单位时间通过管道的流体体积。
当气泡半径满足设定尺寸范围时，可将其近似为一个完整的球体，此时气泡的体积为：

根据式(1#)、(2#)，可得完整球近似条件下，有：

线性拟合r4和t的关系曲线，通过斜率计算出η；
当气泡半径满足另一设定尺寸范围时，气泡不再近似为一个完整球时，而是部分球，此时气泡的体积为：

根据式(1#)、(4#)，可得部分球条件下，有：

线性拟合和t的关系曲线，通过斜率计算出η。

技术领域
[0001]本发明属于教学仪器技术领域，具体地说，是涉及一种基于气泡测量表面张力系数和空气粘滞系数的装置与方法。
背景技术
[0002]表面张力是一种液体表面的特性，它描述了液体分子在液体内部与液体外部相互作用导致的表面上的张力或拉力。研究液体表面张力这一性质，对于理解和解释液体行为以及许多液体界面现象都至关重要。表面张力系数是作用于液面上单位长度线段上的表面张力。目前常见的表面张力系数教学测量方法主要分为毛细管法、最大泡压法、拉脱法、滴重法、基于形貌识别的悬滴法、液桥法等。粘滞系数是描述流体内部粘性和黏稠性的物理性质，它衡量了流体抵抗流动的能力，即流体分子间的内部摩擦力。粘滞系数是流体力学中的一个重要参数，对于理解和描述各种流动现象至关重要，包括液体流动、气体流动、溶液的扩散和热传导等。涉及到空气粘滞系数的实验方法有毛细管法、阻尼振动法、气垫导轨法、单摆法、密立根油滴法等。
[0003]气泡的产生和破裂、气泡大小的变化、表面液体的流动以及色彩的变化是生活中常常能见到的物理现象，内涵丰富的物理知识，可以支撑诸多实验教学内容。其中，气泡的大小与液体的表面张力系数和内外气体的压强差相关，在气体流动过程中气流量与气体的粘滞系数和内外气体的压强差等因素相关。在以往的实验教学中液体的表面张力系数、气体的粘滞系数是两个独立的实验内容，分别采用两套独立的实验装置完成相关参数的测量。目前还没有能够在同一套实验装置上研究表面张力系数和空气粘滞系数的教学用实验装置。
发明内容
[0004]本发明的目的在于提供一种基于气泡测量表面张力系数和空气粘滞系数的装置与方法，主要解决现有表面张力系数和空气粘滞系数测量装置相互独立，实验成本较高的问题，同时避免了较高的物理量测量要求(如气压计的时间响应)，降低了实验门槛。
[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0006]一种基于气泡测量表面张力系数和空气粘滞系数的装置，包括缓冲器，与缓冲器相连的变压强器、细管组件、泡孔组件和气压计，与细管组件相连的密封件，设置于泡孔组件一侧的背光源，设置于泡孔组件另一侧的成像设备，以及与成像设备相连的图像数据处理设备；其中，所述气压计用于测量气泡内外的气体压强之差。
[0007]进一步地，在本发明中，所述泡孔组件上的孔洞为圆孔，且泡孔组件仅通过孔洞连通所述缓冲器内部气体和外部的环境大气。
[0008]进一步地，在本发明中，所述细管组件的直细管的内半径s、长度L与孔洞的半径R应满足式中，η为空气粘滞系数，σ为气泡表面张力系数，ρ为空气密度。
[0009]进一步地，在本发明中，所述变压强器采用注射器或注射泵。
[0010]进一步地，在本发明中，所述泡孔组件和所述细管组件拆卸式安装于所述缓冲器上。
[0011]进一步地，在本发明中，所述泡孔组件和/或所述细管组件与所述缓冲器一体成型。
[0012]基于上述装置，本发明还提供了一种基于气泡测量表面张力系数和空气粘滞系数的方法，包括如下步骤：
[0013]S1，点亮背光源，检查密封件应控制正常，气压计正常显示；调整成像设备使泡孔组件的孔洞附近成像清晰，且孔洞处于视场竖直方向上的中心附近；
[0014]S2，控制密封件将细管组件的直细管封堵；利用成膜件蘸取气泡液并涂抹在孔洞上，此时孔洞形成一层液膜；
[0015]S3，利用变压强器调整缓冲器的气压，从而在泡孔组件上形成气泡；
[0016]S4，在系统趋于准静态时，利用成像设备拍摄气泡图片，并记录对应的气压计数据，调整变压强器并拍摄不同气泡尺寸的图片，记录对应的气压计数据；
[0017]S5，在气泡存在且满足设定尺寸的情况下，保持注射器不动，打开成像设备的录像功能，控制密封件取消封堵直细管，气泡收缩，待气泡停止收缩后停止录像；
[0018]S6，结合趋于准静态时气压计得到的压强差数据，利用公式或计算出气泡的表面张力系数；式中，Δp为压强差，r为气泡半径，σ为气泡表面张力系数，R为气泡孔洞半径，h为气泡表面各点距离气泡孔洞所在面的最远距离，即气泡顶端的高度；
[0019]S7，结合动态过程中气泡尺寸与时间的关系数据，当r满足设定尺寸范围时，气泡近似为完整球体，利用公式计算出空气的粘滞系数；当r满足另一设定尺寸范围时，气泡不再近似完整球，利用公式计算出空气的粘滞系数；式中，η为空气粘滞系数，s为直细管内半径，L为直细管长度，下标0的各物理量均为t＝0时刻的数据。
[0020]进一步地，在所述步骤S7中，粘滞系数的具体计算过程如下：
[0021]根据泊肃叶方程：
[0022]
[0023]其中Q为通过管道的流体流量，即单位时间通过管道的流体体积；
[0024]当气泡半径满足设定尺寸范围时，可将其近似为一个完整的球体，此时气泡的体积为：
[0025]
[0026]根据式(1#)、(2#)，可得完整球近似条件下，有：
[0027]
[0028]线性拟合r4和t的关系曲线，通过斜率计算出η；
[0029]当气泡半径满足另一设定尺寸范围时，气泡不再近似为一个完整球时，而是部分球，此时气泡的体积为：
[0030]
[0031]根据式(1#)、(4#)，可得部分球条件下，有：
[0032]
[0033]线性拟合和t的关系曲线，通过斜率计算出η。
[0034]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0035](1)本发明将两个传统意义上的简单独立实验，通过气泡这个容易令人感兴趣的桥梁以及由此产生的新的实验方法整合成一个内容丰富的实验，具有可靠的理论基础和教学价值，既扩充了教学实验方法，又能引导学生仔细研究气泡现象背后的流体力学知识。
[0036](2)本发明通过设计新的实验装置，充分利用系统静态和动态数据，达到了在同一套实验装置上测量气泡的表面张力系数和空气粘滞系数的目的，同时避免了较高的物理量测量要求(如气压计的时间响应)，降低了实验门槛和成本。
附图说明
[0037]图1为本发明的结构示意图。
[0038]其中，附图标记对应的名称为：
[0039]1-缓冲器，2-变压强器，3-细管组件，4-泡孔组件，5-密封件，6-背光源，7-成像设备，8-图像数据处理设备，9-气压计。
具体实施方式
[0040]下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
[0041]实施例
[0042]如图1所示，本发明公开的一种基于气泡测量表面张力系数和空气粘滞系数的装置，包括缓冲器1，与缓冲器1相连的变压强器2、细管组件3、泡孔组件4和气压计9，与细管组件3相连的密封件5，设置于泡孔组件4一侧的背光源6，设置于泡孔组件4另一侧的成像设备7，以及与成像设备7相连的图像数据处理设备8。其中，所述泡孔组件4或所述细管组件3可独立安装在所述缓冲器1上，二者也可任一或一起一体成型于所述缓冲器1上，前者可进行独立更换，后者更换时需要连同所述缓冲器1一起更换。
[0043]本实施例中，所述缓冲器1为一中空体，单独存在时为非密封状态，其中空部分体积远大于气泡体积，在气泡尺寸变化过程中所述缓冲器1起着缓冲作用，使其内部气压均匀分布。
[0044]变压强器2与所述缓冲器1气路连通，以改变或保持密封状态下所述缓冲器1内的气体压强。本实施例中变压强器2采用的是注射器。
[0045]气压计9与所述缓冲器1气路连通，以测量所述缓冲器1内气体与所述缓冲器1外的环境大气的压强差。
[0046]泡孔组件4与所述缓冲器1气路连通，所述泡孔组件4包含一个孔洞，该孔洞为圆孔。所述泡孔组件4仅该孔洞连通所述缓冲器1内部气体和外部的环境大气，可更换不同孔洞直径的泡孔组件4，以满足实验教学。
[0047]细管组件3与所述缓冲器1气路连通，所述细管组件3包含中空的直细管，直细管的内半径s、长度L与孔洞的半径R应满足所述细管组件3仅该直细管连通所述缓冲器1内部气体和外部的环境大气，所述细管组件3可更换不同规格，包括不同直细管内径、不同直细管长度，以满足实验教学。
[0048]密封件5作用于所述细管组件3上，用于控制所述直细管内气体的流通。背光源6为均匀发光的面光源，置于所述泡孔组件4背面，以增强对比度。所述成像设备7为摄像头，包含相机和镜头，具有拍照、录像、保存功能，置于所述泡孔组件4正面，且面向背光源6拍摄。图像数据处理设备8包含具有视频截图、图像分析、像素标定、尺寸测量功能程序的设备。
[0049]使用时，通过外部的成膜件蘸取少许所述气泡液，并将所述气泡液涂抹在所述孔洞上形成液膜，以隔离所述缓冲器1内部气体和外部的环境大气，并在所述缓冲器1内部气体和外部的环境大气存在非零的压强差时形成具有一定曲率半径的气泡，所述气泡液可更换不同液体，以满足实验教学。
[0050]利用该装置进行气泡表面张力系数测量过程如下：实验初期，点亮背光源6，检查密封件5应控制正常，气压计9应正常显示。调整成像设备7使泡孔组件4的孔洞附近成像清晰，且孔洞处于视场竖直方向上的中心附近。然后，控制密封件5将细管组件3的直细管封堵。利用成膜件蘸取少量气泡液并涂抹在孔洞上，此时孔洞形成一层液膜。若孔洞在缓冲器1的上端，则通过注射器压入空气，增大缓冲器1内的气体压强，以形成正压气泡；若孔洞在缓冲器1的下端，则通过注射器抽出空气，减小缓冲器1内的气体压强，以形成负压气泡。在系统趋于准静态时，利用成像设备7拍摄气泡图片，并记录对应的气压计9数据，调整注射器并拍摄不同气泡尺寸的图片，记录对应的气压计9数据。
[0051]利用该装置进行空气粘滞系数测量过程：在气泡存在且较大的情况下，保持注射器不动，打开成像设备9的录像功能。然后，控制密封件5取消封堵直细管，气泡慢慢收缩，待气泡停止收缩后停止录像。
[0052]本实施例的数据处理过程：将成像设备7拍摄的图片和录制的视频导入到图像数据处理设备8中，从录制的视频中截取气泡收缩过程的多个不同尺寸下的图片并记录对应时刻，根据图像中已知物体实际尺寸和像素数的关系对图像进行标定后测量气泡尺寸(气泡尺寸可以是气泡半径r、气泡直径2r、孔洞半径R、孔洞直径2R、气泡表面各点距离孔洞所在面的最远距离h，或涵盖前述相关尺寸的代数表达式)。结合趋于准静态时气压计9得到的压强差数据，便可以利用公式或计算出气泡的表面张力系数，再结合动态过程中气泡尺寸与时间的关系数据，便可以利用公式(气泡满足完整球近似条件)或(气泡满足部分球条件)计算出空气的粘滞系数。可以看到，上述动态过程的两个公式中均不含压强差Δp，而测量Δp是趋于准静态时才进行，这意味着该实验方法不需要气压计9具备较快的时间响应特性，这降低了对气压计9的要求。
[0053]其中，粘滞系数的具体计算过程如下：
[0054]根据泊肃叶方程：
[0055]
[0056]其中Q为通过管道的流体流量，即单位时间通过管道的流体体积；
[0057]当气泡半径满足设定尺寸范围时，可将其近似为一个完整的球体，此时气泡的体积为：
[0058]
[0059]根据式(1#)、(2#)，可得完整球近似条件下，有：
[0060]
[0061]线性拟合r4和t的关系曲线，通过斜率计算出η；
[0062]当气泡半径满足另一设定尺寸范围时，气泡不再近似为一个完整球时，而是部分球，此时气泡的体积为：
[0063]
[0064]根据式(1#)、(4#)，可得部分球条件下，有：
[0065]
[0066]线性拟合和t的关系曲线，通过斜率计算出η。
[0067]其中，泊肃叶定律(Poiseuille law)是流体动力学的一个重要定律，描述不可压缩的牛顿流体在长直圆管中作定常流动，且雷诺数不大，流动的形态是层流时，流量与管道两端的压强差、管道半径、管道长度及流体粘滞系数的关系。该定律对于流体成立。实验室中常用的利用毛细管法测量液体的粘滞系数基于此定律，对于气体流动现象，基础实验中较少使用。在管内流场时，雷诺数Re为：
[0068]
[0069]根据公式(1#)、(6#)和可得：
[0070]
[0071]其中，ρ为空气密度。当雷诺数≤2300时，流体流动被认为是层流。因此，对于可以大致估计到的空气密度、空气粘滞系数和气泡表面张力系数而言，可以通过设计适当的R、s和L以满足层流条件，即：
[0072]
[0073]通过上述设计，本发明将两个传统意义上的简单独立实验，通过气泡这个容易令人感兴趣的桥梁以及由此产生的新的实验方法整合成一个内容丰富的实验，具有可靠的理论基础和教学价值，既扩充了教学实验方法，又能引导学生仔细研究气泡现象背后的流体力学知识。
[0074]上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。