落球法測(cè)量液體粘滯系數(shù)(共6頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上液體粘滯系數(shù)的測(cè)量（落球法）在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中（如流體的傳輸、液壓傳動(dòng)、機(jī)器潤(rùn)滑、船舶制造、化學(xué)原料及醫(yī)學(xué)等方面）常常需要知道液體的粘滯系數(shù)。測(cè)定液體粘滯系數(shù)的方法有多種，落球法（也稱(chēng)斯托克斯Stokes法）是最基本的一種。它是利用液體對(duì)固體的摩擦阻力來(lái)確定粘滯系數(shù)的，可用來(lái)測(cè)量粘滯系數(shù)較大的液體?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 觀察液體的內(nèi)摩擦現(xiàn)象，根據(jù)斯托克斯公式用落球法測(cè)量液體的粘滯系數(shù)； 2. 掌握激光光電計(jì)時(shí)儀的使用方法； 3. 了解雷諾數(shù)與斯托克斯公式的修正數(shù)；4掌握用落球法測(cè)粘滯系數(shù)的原理和方法；5測(cè)定當(dāng)時(shí)溫度下變壓器油的粘滯系數(shù)。【實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備】1.自學(xué)斯托克斯公

2、式及雷諾數(shù)；2.粗略閱讀講義，了解大致的實(shí)驗(yàn)過(guò)程；3.認(rèn)真閱讀講義，明確實(shí)驗(yàn)原理，寫(xiě)出自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案；4.再次閱讀講義，提出自己的疑問(wèn)或可能的其他實(shí)驗(yàn)方案，如下落時(shí)間還有其他方法測(cè)量嗎等；5.進(jìn)一步熟悉并掌握某些測(cè)量器具的用法（如游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微計(jì)、秒表等）。6.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格；7.復(fù)習(xí)不確定度計(jì)算方法并推導(dǎo)出本實(shí)驗(yàn)要用的不確定計(jì)算公式?！咀詫W(xué)資料】1 如何定義粘滯力（內(nèi)摩擦力）？粘滯系數(shù)取決于什么？ 當(dāng)液體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，流速不同的各流層之間所產(chǎn)生的層面切線方向的作用力即為粘滯力（或稱(chēng)內(nèi)摩擦力）。其大小與流層的面積成正比，與速度的梯度成正比，即： (1)式中比例系數(shù)即為該液體的粘滯系

3、數(shù)。粘滯系數(shù)決定于液體的性質(zhì)和溫度。2 實(shí)驗(yàn)依據(jù)的主要定律是什么？它需要什么條件？ 主要依據(jù)斯托克斯定律，即半徑為r的圓球，以速度v在粘滯系數(shù)為的液體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，圓球所受液體的粘滯阻力大小為： (2) 它要求液體是無(wú)限廣延的且無(wú)旋渦產(chǎn)生。3 實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)要原理是什么？ 圓球在液體中下落時(shí)，受到重力、浮力和粘滯阻力的作用，由斯托克斯定律知粘滯阻力與圓球的下落速度成正比，當(dāng)粘滯阻力與液體的浮力之和等于重力時(shí)，圓球所受合外力為零，圓球此后將以收尾速度勻速下落。由此得到： 式中：為圓球密度，0為液體密度，d為圓球直徑，v0為圓球的收尾速度。4 是否可用上式展開(kāi)實(shí)驗(yàn)？為什么？ 顯然不能利用上式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因?yàn)閷?shí)

4、驗(yàn)中無(wú)法滿足公式中液體為無(wú)限廣延的條件。5 如何利用斯托克斯定律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量？ 實(shí)驗(yàn)中，圓球是在半徑為R的圓筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)，如果只考慮筒壁對(duì)圓球運(yùn)動(dòng)的影響，則應(yīng)將斯托克斯定律修正為： 從而得到： 此式即為落球法測(cè)粘滯系數(shù)的實(shí)驗(yàn)公式。式中：D為圓筒直徑，K為修正系數(shù)通常取2.4（也有取2.1）。6 用實(shí)驗(yàn)公式進(jìn)行測(cè)量有哪些要求？ 首先測(cè)量用圓筒應(yīng)盡量的粗一些、長(zhǎng)一些，盡量使圓球沿圓筒的中心軸線下落；其次，為了不產(chǎn)生旋渦，圓球的收尾速度不能太大；因此，圓球的直徑應(yīng)該小些。7 怎樣測(cè)量圓球下落的收尾速度V0？ 因?yàn)閳A球最后是以勻速下落，所以可在圓筒外做兩個(gè)標(biāo)記線A、B，其間距L可用直尺測(cè)出，當(dāng)用秒表測(cè)出圓

5、球經(jīng)過(guò)L的時(shí)間t后，就有V0=L/t，由此實(shí)驗(yàn)公式可改寫(xiě)為： （K=2.4）8 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量的最關(guān)鍵點(diǎn)是什么？ 由公式可知0、d、L、D均為靜態(tài)測(cè)量，這些量中最關(guān)鍵的則是圓球直徑的測(cè)量。t的測(cè)量為動(dòng)態(tài)測(cè)量，其關(guān)鍵點(diǎn)在于圓球下落經(jīng)過(guò)上標(biāo)記線A以后，必須是勻速運(yùn)動(dòng)。若不是，則需將A線下移?！緦?shí)驗(yàn)器材】VM-1落球法粘滯系數(shù)測(cè)定儀、小鋼球、甘油、玻璃量筒，卷尺、千分尺、游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微器、液體密度計(jì)、激光光電記時(shí)儀、溫度計(jì)，鑷子，天平?！緦?shí)驗(yàn)原理】如圖1，當(dāng)金屬小球在粘性液體中下落時(shí)，它受到三個(gè)鉛直方向的力：小球的重力、液體作用于小球的浮力（V為小球體積，為液體密度）和粘滯阻力F（其方向與小

6、球運(yùn)動(dòng)方向相反）。如果液體無(wú)限深廣，在小球下落速度較小的情況下，有：123 LHD圖1 液體的粘滯系數(shù)測(cè)量裝置示意圖及原理圖 （1）上式稱(chēng)為斯托克斯公式，式中為液體的粘滯系數(shù)，單位是，為小球的半徑。斯托克斯定律成立的條件有以下5個(gè)方面： 1）媒質(zhì)的不均一性與球體的大小相比是很小的；2）球體仿佛是在一望無(wú)涯的媒質(zhì)中下降；3）球體是光滑且剛性的；4）媒質(zhì)不會(huì)在球面上滑過(guò)；5） 球體運(yùn)動(dòng)很慢，故運(yùn)動(dòng)時(shí)所遇的阻力系由媒質(zhì)的粘滯性所致，而不是因球體運(yùn)動(dòng)所推向前行的媒質(zhì)的慣性所產(chǎn)生。小球開(kāi)始下落時(shí)，由于速度尚小，所以阻力不大，但是隨著下落速度的增大，阻力也隨之增大。最后，三個(gè)力達(dá)到平衡，即：于是小球開(kāi)始作

7、勻速直線運(yùn)動(dòng)，由上式可得：令小球的直徑為，并用，代入上式得： （2）其中為小球材料的密度，為小球勻速下落的距離，為小球下落距離所用的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)時(shí)，待測(cè)液體盛于容器中，故不能滿足無(wú)限深廣的條件，實(shí)驗(yàn)證明上式應(yīng)該進(jìn)行修正。測(cè)量表達(dá)式為： （3）其中為容器的內(nèi)徑，為液柱高度?！緦?shí)驗(yàn)步驟】1 調(diào)整粘滯系數(shù)測(cè)量裝置及實(shí)驗(yàn)儀器 1） 調(diào)整底盤(pán)水平，在儀器橫梁中間部位放重錘部件，調(diào)節(jié)底盤(pán)旋鈕，使重錘對(duì)準(zhǔn)底盤(pán)的中心圓點(diǎn)。 2） 將實(shí)驗(yàn)架上的兩激光器接通電源，并進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其紅色激光束平行對(duì)準(zhǔn)錘線。 3） 收回重錘部件，將盛有待測(cè)液體的量筒放置到實(shí)驗(yàn)架底盤(pán)中央，并在實(shí)驗(yàn)中保持位置不變。 4） 在實(shí)驗(yàn)架上放上鋼球

8、導(dǎo)管。小球用酒精清洗干凈，并用濾紙吸干。 5） 將小球放入鋼球?qū)Ч?，看其能否阻擋光線，如不能，則適當(dāng)調(diào)整激光器位置。2 用溫度計(jì)測(cè)量油溫，在全部小球下落完后再測(cè)一次油溫，取其平均值。3 測(cè)量上下兩激光束之間的距離。4 將小球放入鋼球?qū)Ч?，?dāng)小球落下，阻擋上面的紅色激光束，秒表開(kāi)始記時(shí)，到小球落到阻擋下面的紅色激光束時(shí)，停止記時(shí)，讀出下落時(shí)間，重復(fù)6次。5 計(jì)算蓖麻油的粘滯系數(shù)，將測(cè)量結(jié)果與公認(rèn)值進(jìn)行比較。【數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理】表(1)幾何參數(shù)的測(cè)量（小球的密度=7.90Kg/m3，油的密度=0.958 Kg/m3）測(cè)量量測(cè)量次第平均值12345圓筒直徑D(cm)下落距離L(cm)小球直徑d(c

9、m)表(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中小球下落的時(shí)間 T1= 0C，T2= 0C次123456（s）數(shù)據(jù)處理要求：1.計(jì)算蓖麻油的粘滯系數(shù)；2.將測(cè)量結(jié)果與公認(rèn)值進(jìn)行比較，求出相對(duì)誤差；3.計(jì)算不確定度。1）利用計(jì)算，即 2）為測(cè)量室溫下的公認(rèn)值。3）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算， ，計(jì)算， 計(jì)算 ， ， ， 計(jì)算 ， ， ， 計(jì)算其中， 4.給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果：，物理單位正確,有效數(shù)字表述正確?！舅伎碱}】1）為什么要對(duì)測(cè)量表達(dá)式（2）進(jìn)行修正？提示：斯托克斯定律成立的條件是球體是在無(wú)限深廣的液體中下降，而實(shí)驗(yàn)采用的有限的油柱，故應(yīng)進(jìn)行修正。2） 本實(shí)驗(yàn)中如果鋼球表面粗糙對(duì)實(shí)驗(yàn)會(huì)有影響嗎？提示：有。斯托克斯定律成立的條件要求球體是光滑且剛性的。3） 激光束為什么一定要通過(guò)玻璃圓筒的中心軸？提示：激光束如果不通過(guò)玻璃圓筒的中心軸，小球下落時(shí)就不會(huì)阻擋激光束，激光計(jì)時(shí)器就得不到啟動(dòng)信號(hào)而不能計(jì)時(shí)。4