測(cè)量液體黏度實(shí)驗(yàn)報(bào)告

液體黏度的測(cè)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(duì)流動(dòng)的一種特性。如果在流動(dòng)的流體中平行于流動(dòng)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(duì)流動(dòng)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(shí)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(shí)，其輸運(yùn)特性與黏滯性密切相關(guān)。本實(shí)驗(yàn)旨在學(xué)會(huì)使用毛細(xì)管和落球法測(cè)定液體黏度的原理并了解分別適用范圍，掌握溫度計(jì)、密度計(jì)、電子秒表、螺旋測(cè)微器、游標(biāo)卡尺的使用，并學(xué)會(huì)進(jìn)行兩種測(cè)量方法的誤差分析。二、實(shí)驗(yàn)原理落球法當(dāng)金屬小圓球在黏性液體中下落時(shí)，它受到3個(gè)力，重力農(nóng)g、浮力pgV和粘滯阻力。如果液體無(wú)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(jìn)入時(shí)重力大于浮力和粘滯阻力之和，運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后，速度增大，到達(dá)三個(gè)力平衡，即mg=pgV+6n^rv (2)于是小球作勻速直線運(yùn)動(dòng)，由(2)式，并用m=-d3p',v=1,r=d代入上式，并因?yàn)? t2待測(cè)液體不能滿足無(wú)限深廣的條件，為滿足實(shí)際條件而進(jìn)行修正得\o"CurrentDocument"門(mén)=(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(shí)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(zhǎng)度為Z，細(xì)管兩端的壓強(qiáng)差為AP，液體黏度為門(mén)，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(shí)，應(yīng)考慮液體本身的重力作用。因此，可以寫(xiě)出8qL〔5〕本實(shí)驗(yàn)所用的毛細(xì)管黏度計(jì)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)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(jì)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(shí)，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?yàn)橐好嬖?qL〔5〕(4)圖1毛細(xì)管黏度計(jì)(4)圖1毛細(xì)管黏度計(jì)為V，由伯努利方程可推得冗r4pgHv= 1院 ⑹由于實(shí)際情況下不易測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)采用比較測(cè)量法，即使用同一支毛細(xì)管黏度計(jì)，測(cè)兩種不同液體流過(guò)毛細(xì)管的時(shí)間。測(cè)量時(shí)取相同的體積密度分別為P1和P2的兩種液體，分別測(cè)出兩種液體的液面從C降到A〔體積為口所需的時(shí)間“和0由于r、V、L都是定值，因此可得下式vP—0C—1v和*2門(mén)2⑺〔7〕中的兩式相比可得門(mén)=門(mén)P*2^22 1P1*1⑻式中門(mén)和門(mén)分別為兩種不同液體的黏度，假設(shè)已知門(mén)、P和P，只要測(cè)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(cè)量法。三、實(shí)驗(yàn)裝置及過(guò)程（一）實(shí)驗(yàn)裝置1.落球法：落球法黏度測(cè)量?jī)x1套〔包括鐵架臺(tái)，盛有蓖麻油的長(zhǎng)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(hào)12003-1A〕，玻璃皿1個(gè)；1m鋼尺，盛有蓖麻油的量筒1個(gè)〔內(nèi)懸溫度計(jì)、密度計(jì)各1根〕。2.毛細(xì)管法：奧氏黏度計(jì)；分析純無(wú)水乙醇、蒸餾水;密度計(jì)、溫度計(jì)、秒表；燒杯、移液管、洗耳球；（二）實(shí)驗(yàn)過(guò)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(cè)量并記錄位置，此實(shí)驗(yàn)中選了三條。投下第1顆小鋼珠前記錄室溫，測(cè)完最后1顆小鋼珠的下落時(shí)間后再記錄油溫，兩者求平均;分別測(cè)量5顆小鋼珠的直徑和勻速運(yùn)動(dòng)部分的下落時(shí)間。毛細(xì)管法：用移液管將5.00ml的蒸餾水注入黏度計(jì)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(shí)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(jì)，用移液管將5.00ml的酒精注入黏度計(jì)右管中，重復(fù)上述步驟，測(cè)出酒精液面自C降到A所用的時(shí)間t2,重復(fù)測(cè)5次；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要觀察溫度的變化和記錄溫度兀用密度計(jì)測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析（一）落球法：千分尺零點(diǎn)：-0.039mm，游標(biāo)卡尺零點(diǎn)0.00cm，T1=26.5°C，A點(diǎn)高度50.00cm，B點(diǎn)高度40.00cm，C點(diǎn)高度10.00cm1.預(yù)實(shí)驗(yàn)表1：小球直徑0.979mm時(shí)經(jīng)過(guò)ABC三點(diǎn)的時(shí)刻位置/cmABC時(shí)刻/分秒0分0秒0分22秒961分31秒85時(shí)間t/s022.9691.85表2：小球直徑1.481mm時(shí)經(jīng)過(guò)ABC三點(diǎn)的時(shí)刻位置/cmABC時(shí)刻/分秒0分0秒0分9秒300分37秒41時(shí)間t/s09.3037.41表3：小球直徑0.982mm時(shí)經(jīng)過(guò)ABC三點(diǎn)的時(shí)刻位置/cmABC

時(shí)刻/分秒0分0秒0分22秒951分31秒06時(shí)間t/s022.9591.06分析：〔1〕第一組時(shí)觀察小球下落發(fā)現(xiàn)并沒(méi)完全調(diào)整鉛直，于是進(jìn)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(shí)間比第一組小，符合推理?！?〕選擇小球大?。河蓪?shí)驗(yàn)原理中的公式，得到勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度v的表達(dá)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(shí)驗(yàn)觀察符合推理。則為了減小時(shí)間的相對(duì)誤差，一方面將l取值大些，取為30.00cm。另一方面，選擇使t長(zhǎng)一些，即v小一些，那么就要選相對(duì)小的球。于是在接下來(lái)均選擇直徑在1.01到1.02mm的小球進(jìn)行試驗(yàn)。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(yùn)動(dòng)時(shí)間記錄表序號(hào)直徑記錄/mm直徑真實(shí)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(cè)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(mén)/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(jì)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?yàn)镈,H對(duì)不確定度影響極小，所以計(jì)算時(shí)忽略掉：u2(p'-p),u2(d)u2(g)u2(l)u2(t)u2(門(mén))-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(shí)驗(yàn)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(shí)與油面有距離，可能引起湍流?！?〕秒表使用由于人的反應(yīng)時(shí)間差異，可能引入很大誤差?！?〕其他因素已在不確定度計(jì)算中得以表達(dá)。〔建議：假設(shè)使用電子設(shè)備，如光電門(mén)等裝置記錄時(shí)間和位置的話會(huì)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(cè)量液體黏度時(shí)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(mén)xpXtp=p=0.78860x103kg/m3，門(mén) = ——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(gè)原因造成：酒精揮發(fā)；洗滌后黏度計(jì)中液體并未全部流出；在移液管中殘留量不同。〔2〕實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)正值秋天，而且時(shí)間是下午四點(diǎn)左右，溫度下降很快，所以實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程當(dāng)中溫度有變化。〔3〕實(shí)驗(yàn)中密度計(jì)測(cè)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(jì)算中有表達(dá)。五、 實(shí)驗(yàn)結(jié)論通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解了黏度的物理意義，并用落球法和毛細(xì)管的比較測(cè)量法進(jìn)行了測(cè)量，落球法測(cè)量得在25.2°C油的