落球法測量液體粘滯系數(shù)

1、落球法測量液體的粘滯系數(shù)實驗報告精選資料，歡迎下載一、問題背景液體流動時，平行于流動方向的各層流體 速度都不相同，即存在著相對滑動，于是在各 層之間就有摩擦力產生，這一摩擦力稱為粘滯 力（或粘滯系數(shù)），它的方向平行于接觸面，其 大小與速度梯度及接觸面積成正比，比例系數(shù) n稱為粘度，它是表征液體粘滯性強弱的重要 參數(shù)。液體的粘滯系數(shù)和人們的生產，生活等 方面有著密切的關系，比如醫(yī)學上常把血粘度 的大小做為人體血液健康的重要標志之一。又 如，石油在封閉管道中長距離輸送時，其輸運 特性與粘滯性密切相關，因而在設計管道前， 必須測量被輸石油的粘度。測量液體粘度可用落球法，毛細管法，轉 筒法等方法，其中

2、落球法適用于測量粘度較高 的透明或半透明的液體，比如：蓖麻油、變壓 器油、甘油等。二、實驗目的1學習和掌握一些基本物理量的測量。2 學習激光光電門的校準方法。3 用落球法測量蓖麻油的粘滯系數(shù)。三、實驗儀器DH4606落球法液體粘滯系數(shù)測定儀、卷尺、 螺旋測微器、電子天平、游標卡尺、鋼球若干。四、實驗原理處在液體中的小球受到鉛直方向的三個力的作用：小球的重力 mg （ m為小球質量）液體作用于小球的浮力 gV （V是小球體積, r是液體密度）和粘滯阻力 F （其方向與小球運動方向相反）。如果液體無限深廣，在小球下落速度v較小情況下，有（1）上式稱為斯托克斯公式，其中 r是小球的半徑；稱為液體的粘

3、度，其單位是 Pa s。F15”*-iLvf,XT I丿L 1圖1小球下落示童圖及愛力分析圖小球在起初下落時，由于速度較小，受到 的阻力也就比較小，隨著下落速度的增大，阻 力也隨之增大。最后，三個力達到平衡，即（2）此時，小球將以Vo作勻速直線運動，由（2）式 可得：（3）H “，l令小球的直徑為d ,并用m d”，v0 ：6t(4)r =-代入（3）式得2其中為小球材料的密度，I為小球勻速下落 的距離，t為小球下落I距離所用的時間。實驗過程中，待測液體放置在容器中，故 無法滿足無限深廣的條件，實驗證明上式應進 行如下修正方能符合實際情況：（5） 其中D為容器內徑，H為液柱高度。當小球的密度較

4、大，直徑不是太小，而液體的粘度值又較小時，小球在液體中的平衡速當Re0.1時，可認為（1）、（ 5）式成立； 當0.1Re1時，應考慮（6）式中1級修正項的 影響，當Re大于1時，還須考慮高次修正項。 考慮（6）式中1級修正項的影響及玻璃管的影 響后，粘度 1可表示為:二一二（8）由于3Re/16是遠小于1的數(shù)，將1/（1 3 Re/16）按幕級數(shù)展開后近似為1-3Re/16,（ 8 ）式又可表示為：31-V0（9）16已知或測量得到Z、匸、D、d、v0等參數(shù)精選資料，歡迎下載度V。會達到較大的值，奧西思-果爾斯公式反映出了液體運動狀態(tài)對斯托克斯公式的影響:=6二 v0r(1316Re1910

5、80Re2 )(6)其中，Re稱為雷諾數(shù)，是表征液體運動狀態(tài)的 無量綱參數(shù)。=Pdv o n(7)后，由（5）式計算粘度，再由（7）式計算Re， 若需計算的Re的1級修正，則由（9）式計算經 修正的粘度1。在國際單位制中，的單位是Pa?s （帕斯卡秒），在厘米，克，秒制中， 的單位是P （泊）或cP （厘泊），它們之間的換 算關系是：算關系是：1Pa = 10P = 1000cP（10）五、實驗內容1. 測試架調整（1 ）將線錘裝在支撐橫梁中間部位，調整粘滯系數(shù)測定儀測試架上的三個水平調節(jié)螺釘，使線錘對準底盤中心圓點；（2）將光電門按儀器使用說明上的方法連接。 接通測試儀電源，此時可以看到兩光

6、電門的發(fā) 射端發(fā)出紅光線束。調節(jié)上下兩個光電門發(fā)射 端，使兩激光束剛好照在線錘的線上；（3 ）收回線錘，將裝有測試液體的量筒放置于底盤上，并移動量筒使其處于底盤中央位置；將落球導管安放于橫梁中心，兩光電門接收端 調整至正對發(fā)射光（可參照上述測試儀使用說 明校準兩光電門）。待液體靜止后，將小球用 鑷子從導管中放入，觀察能否擋住兩光電門光 束（擋住兩光束時會有時間值顯示），若不能，適當調整光電門的位置。2用溫度計測量待測液體溫度 To,當全部小球投下后再測一次液體溫度 Ti ,求其平均溫度T o3 用螺旋測微器測量20個小球的直徑，求其平均值d o4.計算d的方差，去除不合格的小球，重新選 擇其他

7、小球，重復3、4，直到所有小球合格。5用電子天平測量20個小球的質量，求其平均質量m 6. 計算小球的密度7. 用卷尺測量光電門的距離 L ;測量10次小球下落的時間，并求其平均值時間S &用游標卡尺測量量筒內徑D 9.測量液柱高度H。10相關量代入公式（5）,計算液體的粘滯系 數(shù)，并與該溫度T下的粘滯系數(shù)相比較。不 同溫度下的蓖麻油的粘滯系數(shù)可參照附表1。參考：鋼球平均密度： 9.725 103kg/m3蓖麻油出廠密度： 0.97 103kg/m3六、實驗注意事項1、測量時，將小球用毛巾擦拭干凈；2、等被測液體穩(wěn)定后再投放小球；3、全部實驗完畢后，將量筒輕移出底盤中心位 置后用磁鋼將鋼球吸出

8、，將鋼球擦拭干凈，以 備下次實驗用。精選資料，歡迎下載七、實驗記錄小球的直徑測量小球個數(shù)小球直徑小球個數(shù)小球直徑13.003112.99822.995122.99032.990132.99042.995143.00053.005153.00063.010163.01072.985172.99883.030182.99592.997192.995平均值2.996數(shù)據(jù)記錄儀器光電門螺旋測微器游標卡尺電子天平卷尺溫度計精度0.0001s0.001mm0.05mm0.001g1mm1C測量量時間t鋼球直徑d圓筒直徑D小球質量m液面咼度H溫度次數(shù)時間t/sD=H=起始終止1（ 6）2.50402.482

9、40.0661m0.000105kg0.275m19C19 C2（ 7）2.49012.46593（ 8）2.46422.44484（ 9）2.46722.4572小球密度油密度下降距離5（ 10）2.43802.4338l=0.0774m112.424637457kg/m3970kg/m根據(jù)實驗數(shù)據(jù)解得 =0.97415Pa ?s=9.7415PRe=0.0830.1 ，無需進一步修正。八、反思與總結1、為何要對公式（ 4）進行修正？答: 斯托克斯定律成立的條件有以下個方面: 第一, 媒質的不均一性與球體的大小相比是很小的 ;第二,球體仿佛是在一望無涯的媒質中下降 ; ?第三,球體是光滑且剛

10、性的 ;?第四, 媒質不會在球面上 滑過; 第五, 球體運動很慢 ,運動時所遇的阻力系由媒質的粘滯性所致 ,而不是因球體運動所推 向 前行的媒質的慣性所產生。 而這些條件在實驗過程中是無法滿足的 , 所以必須對斯托克斯公式進行 修正。2、如何判斷小球在液體中已處于勻速運動狀態(tài)？答: 先確定量筒之間的一段長度 ,測量出小球在此之間下落的時間 ,時間多次測量取平 均值, 算出這 段距離的速度。然后再將這段距離放大或者縮小 ,測量時間 ,再算出這段 距離的速度。如果后面計 算得到的速度和之前得到的速度一樣 ,那么就可以認為小球在 這段距離是處于勻速運動狀態(tài)。3、影響測量精度的因素有哪些？答: 第一:

11、 實驗中液體油筒不水平引起誤差。如果忽略油筒垂直, 將給整個實驗帶來誤 差。第二:溫控儀未達到設定溫度 ,便開始操作實驗。因為設定溫度后 ,必須使待測液體的溫 度與水的溫度完全 一致才可以測量。如果實驗中操作不夠重視 , 設定的溫度與待測液體 的溫度是不一致的 , 測量的粘 滯系數(shù)不是設定溫度下的粘滯系數(shù) ,此時記錄數(shù)據(jù)是有誤 差的。 第三: 實驗開始后 ,不可以碰撞油 筒, 否則會引入橫向力 , 造成液面漩渦 ,使小球靠近油筒 壁下落 , 帶來測量誤差。 第四:小球下落偏 離軸線方向 , 小球釋放到油筒中時 , 下落軌跡偏離軸線 ,從而增加油筒 壁對小球運動狀態(tài)的影響 , 產生很大誤差。 第五: 小球剛進入液體未開