落球法測(cè)量液體粘滯系數(shù)

1、落球法測(cè)量液體粘滯系數(shù)落球法測(cè)量液體粘滯系數(shù)概述當(dāng)液體流動(dòng)時(shí)，平行于流動(dòng)方向的各層流體速度都不相同，即存在著相對(duì)滑動(dòng)，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，它的方向平行于兩層液體的接觸面，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)。液體的粘滯性的測(cè)量是非常重要的，例如，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)，許多心血管疾病都與血液粘度的變化有關(guān)，血液粘度的增大會(huì)使流入人體器官和組織的血流量減少，血液流速減緩，使人體處于供血和供氧不足的狀態(tài)，這可能引起多種心腦血管疾病和其他許多身體不適癥狀。因此，測(cè)量血粘度的大小是檢查人體血液健康的重要標(biāo)志之一。又如，石油在封閉管道

2、中長(zhǎng)距離輸送時(shí)，其輸運(yùn)特性與粘滯性密切相關(guān)，因而在設(shè)計(jì)管道前，必須測(cè)量被輸石油的粘度。各種實(shí)際液體具有不同程度的粘滯性。測(cè)量液體粘度有多種方法，本實(shí)驗(yàn)所采用的落球法是一種絕對(duì)法測(cè)量液體的粘度。如果一小球在粘滯液體中鉛直下落，由于附著于球面的液層與周圍其他液層之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此小球受到粘滯阻力，它的大小與小球下落的速度有關(guān)。當(dāng)小球作勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)出小球下落的速度，就可以計(jì)算出液體的粘度。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、用落球法測(cè)液體的粘滯系數(shù)；2、研究液體粘滯系數(shù)對(duì)溫度的依賴關(guān)系。二、儀器裝置1、YJ-RZT-II數(shù)字智能化熱學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；2、液體粘滯系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置、3、光電轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)?zāi)０澹?、連接電纜；5

3、、2mm小鋼球；6、甘油(自備)；7、直尺；8、千分尺；9、數(shù)字溫度傳感器；10、小磁鋼及重錘部件；11、激光器；12、接收器；13、量筒；14、導(dǎo)球管；15、物理天平；16、測(cè)溫探頭。液體粘滯系數(shù)實(shí)驗(yàn)儀如圖1所示。三、實(shí)驗(yàn)原理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mg（m為小球質(zhì)量）；液體作用于小球的浮力（是小球體積，是液體密度）和粘滯阻力（其方向與小球運(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情況下，有（1）上式稱為斯托克斯公式，其中是小球的半徑；稱為液體的粘度，其單位是。小球開(kāi)始下落時(shí)，由于速度尚小，所以阻力也不大；但隨著下落速度的增大，阻力也隨之

4、增大、最后，三個(gè)力達(dá)到平衡，即于是，小球作勻速直線運(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。2、實(shí)驗(yàn)時(shí)，待測(cè)液體必須盛于容器中（如圖2所示），故不能滿足無(wú)限深廣的條件，實(shí)驗(yàn)證明，若小球沿筒的中心軸線下降，式（2）須做如下改動(dòng)方能符合實(shí)際情況：（3）其中為容器內(nèi)徑，為液柱高度。3、實(shí)驗(yàn)時(shí)小球下落速度若較大，例如氣溫及油溫較高，鋼珠從油中下落時(shí)，可能出現(xiàn)湍流情況,使公式（1）不再成立，此時(shí)要作另一個(gè)修正(詳見(jiàn)附錄)。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、調(diào)整粘滯系數(shù)測(cè)定儀及實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備1）調(diào)整底盤(pán)水平光；3）將盛有被測(cè)液體的量筒放置到實(shí)驗(yàn)裝

5、置底盤(pán)中央，并在實(shí)驗(yàn)中保持位置不變、在儀器橫梁中間部位放置小磁鋼及重錘部件，調(diào)節(jié)上、下兩個(gè)激光器及接收器，使紅色激光束平行地對(duì)準(zhǔn)重錘線后收回小磁鋼及重錘部件；4）在實(shí)驗(yàn)裝置上放置導(dǎo)球管、小球用乙醚；酒精混合液清洗干凈，并用濾紙吸干殘液，備用；5）將小球放入導(dǎo)球管，下落過(guò)程中，觀察其是否能阻擋光線并計(jì)數(shù)，若不能，重復(fù)步驟3；2、用數(shù)字溫度計(jì)測(cè)量油溫，在全部小球下落完后再測(cè)量一次油溫，取平均值作為實(shí)際油溫；3、用天平測(cè)量10-20顆小鋼球的質(zhì)量，用千分尺測(cè)其體積，計(jì)算小鋼球的密度、用游標(biāo)卡尺測(cè)量筒的內(nèi)徑，用米尺測(cè)量油柱深度；4、下落小球勻速運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量1）用千分尺測(cè)量小球直徑；2）插接好光電接收

6、器插頭，使激光器紅色激光束正好射在光電接收器的接收小孔中，并依次遮光檢查其工作狀況，使其能準(zhǔn)確計(jì)時(shí)；3）按功能鍵選擇適當(dāng)?shù)牧砍?，按?fù)位鍵清零、將小球放入導(dǎo)球管，當(dāng)小球落下，阻擋上面的紅色激光束時(shí)，光線受阻，此時(shí)手動(dòng)按計(jì)時(shí)器的啟動(dòng)開(kāi)關(guān)開(kāi)始計(jì)時(shí)，到小球下落到阻擋下面的紅色激光束時(shí)，再次按下計(jì)時(shí)器的啟動(dòng)開(kāi)關(guān)計(jì)時(shí)停止，讀出下落時(shí)間，重復(fù)測(cè)量6次以上，求平均值；4）測(cè)量上、下二個(gè)激光束之間的距離,移開(kāi)量筒,將米尺置于上、下二個(gè)激光束之間，測(cè)出上、下二個(gè)激光束之間的距離；5)計(jì)算下落小球勻速運(yùn)動(dòng)速度；5、計(jì)算甘油的粘度；6、將測(cè)量結(jié)果與公認(rèn)值進(jìn)行比較(20時(shí)甘油的粘度為1.499×105Pa)。

7、五、使用注意事項(xiàng)1、小鋼珠直徑可用讀數(shù)顯微鏡讀出，也可以用千分尺測(cè)量，但千分尺必須正確使用，防止將鋼珠（直徑2mm）壓扁，而引起誤差；2、測(cè)量液體溫度時(shí)調(diào)節(jié)底盤(pán)旋紐，使底盤(pán)基本水平；2）將實(shí)驗(yàn)裝置上的上、下兩個(gè)激光器接通電源，連接方法如圖3所示，并可看見(jiàn)其發(fā)出紅，須用精確度較高的溫度計(jì)；3、激光束不能直射人的眼睛，以免損傷眼睛；4、小球取出后,須用衛(wèi)生紙搽干待用；5、實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)保持小球?qū)Ч艿母蓛?以免粘住小球難以下落。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表小球半徑d/mm時(shí)間t/s全程距離S/cm全程速度v/量筒內(nèi)徑D/mm甘油密度/Kg/m小球密度/Kg/m量筒直徑/cm油溫/油柱深度/cm考慮到實(shí)驗(yàn)并不是在無(wú)限深廣

8、的情況下進(jìn)行，須對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，即速度應(yīng)修正為：。說(shuō)明：由于液體粘滯與溫度關(guān)系密切，所以溫度必須測(cè)準(zhǔn)，否則測(cè)量結(jié)果與公認(rèn)值查出結(jié)果含有一定差別。七、觀察與思考1、如何判斷小球在作勻速運(yùn)動(dòng)？2、如果遇到待測(cè)液體的值較小，而鋼珠直徑較大，這時(shí)為何須用（5）式計(jì)算？3、用激光光電開(kāi)關(guān)測(cè)量小球下落時(shí)間的方法測(cè)量液體粘滯系數(shù)有何優(yōu)點(diǎn)？附錄1、湍流修正為了判斷是否出現(xiàn)湍流，可利用流體力學(xué)中一個(gè)重要參數(shù)雷諾數(shù)來(lái)判斷、當(dāng)不很小時(shí)，式（1）應(yīng)予修正，但在實(shí)際應(yīng)用落球法時(shí)，小球的運(yùn)動(dòng)不會(huì)處于高雷諾數(shù)狀態(tài)，一般值小于10，故粘滯阻力F可近似用下式表示：（4）式中表示考慮到此種修正后的粘度、因此，在各力平衡時(shí)，并顧及液體邊界影響，可得=式中即為式（3）求得的值，上式又可寫(xiě)為（5）式中、式（5）的實(shí)際算法如下：先將式（3）算出的值作為方括弧中第二、三項(xiàng)的代入，于是求出答案為；再將代入上述第二、三項(xiàng)中，求得；.，因?yàn)榇藘身?xiàng)為修正項(xiàng)，所以用這種方法逐步逼近可得到最后結(jié)果（如果使用具有貯存代數(shù)公式功能的計(jì)算器，很快可得到答案）、一般在測(cè)得數(shù)據(jù)后，可先算出A和，然后根據(jù)的大小來(lái)分析，如在0、5%以下（即Re很小），就不再求；如在0、5%-10%,可以只作一級(jí)修正，即不考慮項(xiàng)；而在10%以上，則應(yīng)完整地計(jì)算式（5）。2、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果量筒內(nèi)徑D=6.300cm，量筒高H=37.50cm