測量液體黏度實驗報告

液體黏度的測量物理學(xué)系一、引言黏滯性是指液體、氣體和等離子體內(nèi)部阻礙其相對流動的一種特性。如果在流動的流體中平行于流動方向?qū)⒘黧w分成流速不同的各層，則在任何相鄰兩層的接觸面上就有與面平行而與相對流動方向相反的阻力或曳力存在。液體的黏度在醫(yī)學(xué)、生產(chǎn)、生活實踐中都有非常重要的意義。例如，許多心血管疾病都與血液的黏度有關(guān)；石油在封閉的管道中輸送時，其輸運特性與黏滯性密切相關(guān)。本實驗旨在學(xué)會使用毛細(xì)管和落球法測定液體黏度的原理并了解分別適用范圍，掌握溫度計、密度計、電子秒表、螺旋測微器、游標(biāo)卡尺的使用，并學(xué)會進行兩種測量方法的誤差分析。二、實驗原理落球法當(dāng)金屬小圓球在黏性液體中下落時，它受到3個力，重力農(nóng)g、浮力pgV和粘滯阻力。如果液體無限深廣，在下落速度v較小下，粘滯阻力F有斯托克斯公式TOC\o"1-5"\h\zF=6n^rv (1)尸是小球的半徑；勺稱為液體的黏度，其單位是Pa-s.小球剛進入時重力大于浮力和粘滯阻力之和，運動一段時間后，速度增大，到達三個力平衡，即mg=pgV+6n^rv (2)于是小球作勻速直線運動，由(2)式，并用m=-d3p',v=1,r=d代入上式，并因為6 t2待測液體不能滿足無限深廣的條件，為滿足實際條件而進行修正得\o"CurrentDocument"門=(p'-p)gd2t1 ⑶181 (1+2.4—)(1+1.6—)DH其中P，為小球材料的密度，d為小球直徑，/為小球勻速下落的距離，t為小球下落l距離所用的時間，D為容器內(nèi)徑，H為液柱高度。毛細(xì)管法假設(shè)細(xì)圓管半徑為，，長度為Z，細(xì)管兩端的壓強差為AP，液體黏度為門，則其流量Q可以由泊肅葉定律表示:

兀r4AP

8qL由泊肅葉定律，再加上當(dāng)毛細(xì)管沿豎直位置放置時，應(yīng)考慮液體本身的重力作用。因此，可以寫出8qL〔5〕本實驗所用的毛細(xì)管黏度計如圖1所示，實驗時將一定量的液體注入右管，用吸球?qū)⒁后w吸至左管。保持黏度計豎直，然后讓液體經(jīng)毛細(xì)管流回右管。設(shè)左管液面在C處時，右管中液面在D處，兩液面高度差為H，CA間高度差為h1，BD間高度差為久。因為液面在8qL〔5〕(4)圖1毛細(xì)管黏度計(4)圖1毛細(xì)管黏度計為V，由伯努利方程可推得冗r4pgHv= 1院 ⑹由于實際情況下不易測量，本實驗采用比較測量法，即使用同一支毛細(xì)管黏度計，測兩種不同液體流過毛細(xì)管的時間。測量時取相同的體積密度分別為P1和P2的兩種液體，分別測出兩種液體的液面從C降到A〔體積為口所需的時間“和0由于r、V、L都是定值，因此可得下式vP—0C—1v和*2門2⑺〔7〕中的兩式相比可得門=門P*2^22 1P1*1⑻式中門和門分別為兩種不同液體的黏度，假設(shè)已知門、P和P，只要測出t1和t2就可1 2 1 1 2 1 2求出第二種液體的黏度。這種方法就叫做比較測量法。三、實驗裝置及過程（一）實驗裝置1.落球法：落球法黏度測量儀1套〔包括鐵架臺，盛有蓖麻油的長試管和鉛垂線〕；千分尺、游標(biāo)卡尺各1把，電子秒表1只〔型號12003-1A〕，玻璃皿1個；1m鋼尺，盛有蓖麻油的量筒1個〔內(nèi)懸溫度計、密度計各1根〕。2.毛細(xì)管法：奧氏黏度計；分析純無水乙醇、蒸餾水;密度計、溫度計、秒表；燒杯、移液管、洗耳球；（二）實驗過程落球法：調(diào)節(jié)玻璃圓筒鉛直。調(diào)整標(biāo)志線位置，用鋼尺測量并記錄位置，此實驗中選了三條。投下第1顆小鋼珠前記錄室溫，測完最后1顆小鋼珠的下落時間后再記錄油溫，兩者求平均;分別測量5顆小鋼珠的直徑和勻速運動部分的下落時間。毛細(xì)管法：用移液管將5.00ml的蒸餾水注入黏度計右管中，然后將蒸餾水吸至左管且使液面高于C刻痕以上。記下液面自C降到A所用時間事并重復(fù)五次取t1的平均值；將水倒出并用酒精洗滌黏度計，用移液管將5.00ml的酒精注入黏度計右管中，重復(fù)上述步驟，測出酒精液面自C降到A所用的時間t2,重復(fù)測5次；實驗過程中要觀察溫度的變化和記錄溫度兀用密度計測量水的密度，并分別從附表中查得酒精的密度和水的黏度。四、實驗結(jié)果及分析（一）落球法：千分尺零點：-0.039mm，游標(biāo)卡尺零點0.00cm，T1=26.5°C，A點高度50.00cm，B點高度40.00cm，C點高度10.00cm1.預(yù)實驗表1：小球直徑0.979mm時經(jīng)過ABC三點的時刻位置/cmABC時刻/分秒0分0秒0分22秒961分31秒85時間t/s022.9691.85表2：小球直徑1.481mm時經(jīng)過ABC三點的時刻位置/cmABC時刻/分秒0分0秒0分9秒300分37秒41時間t/s09.3037.41表3：小球直徑0.982mm時經(jīng)過ABC三點的時刻位置/cmABC

時刻/分秒0分0秒0分22秒951分31秒06時間t/s022.9591.06分析：〔1〕第一組時觀察小球下落發(fā)現(xiàn)并沒完全調(diào)整鉛直，于是進行調(diào)整，由第一組和第三組數(shù)據(jù)可以看出，第三組是調(diào)整后的，時間比第一組小，符合推理?！?〕選擇小球大?。河蓪嶒炘碇械墓?，得到勻速運動時的速度v的表達式為V=(。二；"=「、g”，則vsr2，即ts-1。由第二第三組可以看出，直徑越大下落越快，實驗觀察符合推理。則為了減小時間的相對誤差，一方面將l取值大些，取為30.00cm。另一方面，選擇使t長一些，即v小一些，那么就要選相對小的球。于是在接下來均選擇直徑在1.01到1.02mm的小球進行試驗。p=0.9585g/cm32T=252p， p'=(7.90士0.01)*103p=0.9585g/cm3g=(9.794士0.001)m/s2，油柱高度H=56.39cm表4：各小球直徑及在BC段運動時間記錄表序號直徑記錄/mm直徑真實值/mmtB/分秒t/分秒At/s10.9891.0280'22〃36T29〃1366.7720.9751.0140'22〃711'30〃1968.0230.9691.0080'10"081'18"4768.3940.9741.0130'22〃341'29''4767.1350.9791.0180'22"361'30''0267.66平均0.9771.01667.59表5：圓筒內(nèi)徑測量記錄表序數(shù)12345平均圓筒內(nèi)徑/mm26.0026.1025.7026.1025.8225.943.數(shù)據(jù)處理:把數(shù)據(jù)代入公式(3)，則門/閩一爵585)業(yè)x電x(L016x10-3)2x竺18x0.3(1+2.4x1.01625.94(1+2.4x1.01625.94)(1+1.6x1.01656.39)=0.78Pa-s不確定度的計算:u(P，)=0.01x103kg/m3,u(g)=0.001m/s2,u(p)=0.0001x103kg/mu(d)—B20.004交(d-u(d)—B20.004iu(d)='i-1^~^ =3.35x10-3mm, |Z(t-1)2u(d)-寸u;(d)+u：(d)-4.0689x10-6m, u(t)='：i=15；4——0.292su(l)-、：2u2(l)+u2(l)-7.124x10-4m,其中分度1mm,取1，不確定度限值0.015mmYB1 B2 2因為D,H對不確定度影響極小，所以計算時忽略掉：u2(p'-p),u2(d)u2(g)u2(l)u2(t)u2(門)-n2[ ■—)—+4d+—l-—+―—]=9.215xlO-4,u(n)-0.03Pa-s于是叩土u(n)-(0.78土0.03)Pa?s誤差分析：〔1〕實驗中放小球要先浸入油中再釋放以保證初速度為零，假設(shè)釋放時與油面有距離，可能引起湍流?！?〕秒表使用由于人的反應(yīng)時間差異，可能引入很大誤差?！?〕其他因素已在不確定度計算中得以表達?！步ㄗh：假設(shè)使用電子設(shè)備，如光電門等裝置記錄時間和位置的話會提高很大精度〕(二)毛細(xì)管法：室溫初溫25.0°C，液體體積5.00ml，水的密度0.962g/cm3，室溫末溫22.8C，酒精溫度21.0C，水溫度20.8C表6：毛細(xì)管法測量液體黏度時間記錄表序數(shù)蒸餾水酒精。/分秒t1/s很分秒t2/s1128〃1288.122'14〃85134.852T28〃0688.062'14〃88134.883127〃8487.842'15"19135.194127〃6987.692'15〃41135.415128"8988.892'15"47135.47平均值88.12135.16數(shù)據(jù)處理：n -n+0.8(n-n)-0.99x10-3Pa?s門xpXtp=p=0.78860x103kg/m3，門 = ——c2HOH__2=1.245x10-3Pa-sTOC\o"1-5"\h\zC2H5OH 21 C2H5OH p Xt交(t-t)2i七4交(t-t)2i七4 =0.207s,u?)=0.129su(P )=u=0001=0.0005g/cm3,u(t)=\o"CurrentDocument"H2O B1 2 1u(n)=n[^2^+^2^+u2(Ph2O)]：=3.22x10-6Pa-s2 212 12p21 2 H2O于是有n±u(n)=(1.245土0.003)X10-3Pa-s誤差分析：〔1〕酒精與水體積不一致，可能由以下幾個原因造成：酒精揮發(fā)；洗滌后黏度計中液體并未全部流出；在移液管中殘留量不同?！?〕實驗進行時正值秋天，而且時間是下午四點左右，溫度下降很快，所以實驗進行過程當(dāng)中溫度有變化?！?〕實驗中密度計測出水的密度為0.962g/cm3，與1差異很大〔4〕其他因素在不確定度計算中有表達。五、 實驗結(jié)論通過實驗了解了黏度的物理意義，并用落球法和毛細(xì)管的比較測量法進行了測量，落球法測量得在25.2°C油的