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(chǎn)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)稱為粘度,它是表征液體粘滯性強(qiáng)弱的重要參數(shù).液體的粘滯系數(shù)和人們的生產(chǎn),生活等方面有著密切的關(guān)系,比方醫(yī)學(xué)上常把血粘度的大小做為人體血液健康的重要標(biāo)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(guān),因而在設(shè)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(xì)管法,轉(zhuǎn)筒法等方法,其中落球法適用于測量粘度較高的透明或半透明的液體,比

2、方：蔗麻油、變壓器油、甘油等.二、實驗?zāi)康? .學(xué)習(xí)和掌握一些根本物理量的測量.2 .學(xué)習(xí)激光光電門的校準(zhǔn)方法.3 .用落球法測量蔗麻油的粘滯系數(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(biāo)卡尺、鋼球假設(shè)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mgm為小球質(zhì)量、液體作用于小球的浮力gVV是小球體積,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F=6%Yrv1上式稱為斯托克斯公式,其中r是小球的半徑；稱為液體的粘度,其單位是Paso小球在起初下落時,由于速度較小,受到的阻力

3、也就比擬小,隨著下落速度的增大,阻力也隨之增大.最后,三個力到達(dá)平衡,即mg=pgV+6%刀0?(2)此時,小球?qū)⒁?Vo作勻速直線運動,由(2)式可得：(?-?)?/c、-6?0?3)令小球的直徑為d,并用md3,6V.1,rd代入(3)式得(?-?)2?產(chǎn)()(4)118?7其中為小球材料的留度,l為小球勻速下洛的距離,t為小球下落l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,實驗證實上式應(yīng)進(jìn)行如下修正方能符合實際情況：(?-?)2?1片一面廠?(1+2.4?(1+1.6馬其中D為容器內(nèi)徑,H為液柱高度.當(dāng)小球的密度較大,直徑不是太小,而液體的粘度值又較小時

4、,小球在液體中的平衡速度 V.會到達(dá)較大的值,奧態(tài)對斯托克斯公式的影響:3192F6v0r(1ReRe2.)161080(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).(7)當(dāng)Re0.1時,可認(rèn)為(1)、(5)式成立；當(dāng)0.1Re1時,應(yīng)考慮(6)式中1級修正項的影響,當(dāng)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：(?-?)?=一2.4?3?=3?(8)1.8?3(1+W(1+而)1+而由于3Re/16是遠(yuǎn)小于1的數(shù),將1/(13Re/16)按募級數(shù)展開后近似為1-3Re/16,(8)式又可表示為：3一1-V0d(9)16或測量

5、得到、D、d、V0等參數(shù)后,由(5)式計算粘度,再由Redv0西思-果爾斯公式反映出了液體運動狀7式計算Re,假設(shè)需計算的Re的1級修正,那么由9式計算經(jīng)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,秒五、實驗內(nèi)容1 .測試架調(diào)整1將線錘裝在支撐橫梁中間部位,調(diào)整粘滯系數(shù)測定儀測試架上的三個水平調(diào)節(jié)螺釘,使線錘對準(zhǔn)底盤中央圓點；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,此時可以看到兩光電門的發(fā)射端發(fā)出紅光線束.調(diào)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?qū)Ч馨卜庞跈M

6、梁中央,兩光電門接收端調(diào)整至正對發(fā)射光可參照上述測試儀使用說明校準(zhǔn)兩光電門 .待液體靜止后,將小球用鐐子從導(dǎo)管中放入,觀察能否擋住兩光電門光制中,的單位是P泊或CP厘泊,它們之間的換算關(guān)系是：1Pa?s=10P=1000cP10束擋住兩光束時會有時間值顯示,假設(shè)不能,適當(dāng)調(diào)整光電門的位置.2 .用溫度計測量待測液體溫度T.,當(dāng)全部小球投下后再測一次液體溫度T1,求其平均溫度T.3 .用螺旋測微器測量20個小球的直徑,求其平均值d.4.計算d的方差,去除不合格的小球,重新選擇其他小千重復(fù)3、4,直到所有小球合格.5 .用電子天平測量20個小球的質(zhì)量,求其平均質(zhì)量m.6.計算小球的密度.7 .用卷

7、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.8 .用游標(biāo)卡尺測量量筒內(nèi)徑D.9 .測量液柱高度H.10 .相關(guān)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)相比擬.不同溫度下的蔗麻油的粘滯系數(shù)可參照附表i.參考：鋼球平均密度：339.72510kg/m蔗麻油出廠密度：0.97103kg/m3六、實驗考前須知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央位置后用磁鋼將鋼球吸出,將鋼球擦拭干凈,以備下次實驗用.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13.003112.99822.99

8、5122.99032.990132.99042.995143.00053.005153.00063.010163.01072.985172.99883.030182.99592.997192.995平均值2.996數(shù)據(jù)記錄儀器光電門螺旋測微器游標(biāo)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(zhì)量m液面局度H溫度次數(shù)時間t/sD=?=H=起始終止1(6)2.50402.48240.0661m0.000105kg0.275m19C19C2(7)2.49012.4659?=?3(8)2.46422.4448?4(9)2.4

9、6722.4572小球密度油密度下降距離5(10)2.43802.4338?=?7457kg/m3?=970kg/m3l=0.0774m112.4246?根據(jù)實驗數(shù)據(jù)解得？?=0.97415Pa?s=9.7415PRe=0.0830.1,無需進(jìn)一步修正.八、反思與總結(jié)1、為何要對公式4進(jìn)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(zhì)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(zhì)中下降；?第三,球體是光滑且剛性的；?第四,媒質(zhì)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(zhì)的粘滯性所致,而不是因球體運動所推向前行的媒質(zhì)的慣性所產(chǎn)生.而這些條件在實驗過

10、程中是無法滿足的,所以必須對斯托克斯公式進(jìn)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,時間屢次測量取平均值,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(rèn)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: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:溫控儀未到達(dá)設(shè)定溫度,便開始操作實驗.由于設(shè)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(shè)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(shè)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,否那么會引入橫向力,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