用落球法測定液體的粘滯系數

用落球法測定液體的粘滯系數 大學物理實驗用落球法測定液體的粘滯系數

用落球法測定液體的粘滯系數液體的粘滯系數又稱為內摩擦系數或粘度。是描述液體內摩擦力性質的一個重要物理量。它表征液體反抗形變的能力，只有在液體內存在相對運動時才表現出來。粘滯系數除了因材料而異之外還比較敏感的依賴溫度，液體的粘滯系數隨著溫度升高而減少，氣體則反之，大體上按正比例的規(guī)律增長。研究和測定液體的粘滯系數，不僅在材料科學研究方面，而且在工程技術以及其他領域有很重要的作用。【實驗目的】學習用落球法測定液體的粘滯系數的原理和方法熟悉流動液體中的粘滯現象，掌握粘滯現象的一般規(guī)律測定蓖麻油的粘滯系數【儀器及用具】玻璃量筒、待測液體、游標卡尺、秒表、溫度計、米尺、小鋼球、讀數顯微鏡【實驗原理】當流體流動時，各層的流速不同，相鄰兩層中由于流體分子的熱運動，流速慢的流層中的分子進入流速快的流層；同時，流速快的流層中的分子進入流速慢的流層，結果流速快的將變慢，流速慢的將變快。在宏觀上就相當于在兩流層間產生了相互作用力，我們稱這一對相互作用力為內摩擦力或者粘滯力。流體中的這一現象稱為粘滯現象。一個半徑為r的金屬小球在無限廣延的粘滯液體中自由下落時，它受到3個力的作用:（1）小球W=ρVg（V為小球體積；ρ為小球密度；g為重力加速度），方向向下；（2）液體作用于小球的浮力F=ρ0Vg（ρ0為液體的密度），方向向上；（3）由于附著于球面的液體與周圍其他液層之間的摩擦力，即小球受到的粘滯阻力f，方向向上。由于液體是無限廣延的，而且小球的半徑r很小，小球下落的速度v也很小，這由斯托克斯公式可知：f=6πrηv=3πdηv式中，d為小球直徑；η為該液體在T℃時的粘滯系數，它只與液體性質和溫度有關。一般的，液體溫度越高，η越小。在CGS制中η的單位是泊（P），1P=1g/（cm?s）；在SI制中，η的單位是帕斯卡?秒（Pa?s），1Pa?s=1kg/m?s=10P。小球在液體中下落時重力ρVg和浮力ρ0Vg為恒力，而粘滯阻力f與小球下落的速度v成正比。小球由靜止開始下落，在重力作用下做加速運動，粘滯阻力隨著速度的增大而增大，當小球下落速度v達到一定大小時，小球受到的3個力達到平衡，即ρVg-ρ0Vg-3πdηv=0這時小球將以v的速度做勻速下落。由上式得η=如果h是小球在勻速下落時間為t時通過的一段路程，則v=h/t，而m=ρV，則可改寫為η=實驗中，液體在任何一個方向上都不可能是無限廣延的，小球是在內徑為D、高度為H的量筒中下落，考慮到器壁所產生的影響后，可修正為m-由該式可看出，只要測出m、d、h、t、D和h各值，即可求出η值?！緦嶒灢襟E】調節(jié)盛有蓖麻油的玻璃量筒，使之鉛直。用讀數顯微鏡測出小鋼球的直徑，共測出6個小鋼球的直徑，記錄其結果，編號待用。將一顆小鋼球輕輕放于量筒中液面中心，讓其自由下落，觀察其速度變化情況，初步確定小球從何位置開始做勻速下落。選好小球做勻速下落路程上下刻線N1、N2。為使小鋼球表面完全被蓖麻油浸潤，可將小鋼球在油中浸一下，然后輕輕地放于液面中心，讓其從靜止開始下落。當小球達到刻線N1時啟動秒表開始計時，到達N2刻線時停止秒表計時，記下時間t。并按此法測出其余4個小球的下落時間。記下每次測量時油的溫度T，用游標卡尺測出量筒內徑，用米尺測出h=N1N2、量筒中液體的深度H（蓖麻油的密度ρ0和小球的質量m由實驗室給出）【數據處理】次數項目12345d/cmV/cm3T/℃t/sη/Pa·s小球質量m=下落路程h=蓖麻油密度ρ0=測量結果η=η±sη量筒液深H=量筒內徑D=平均值：η=【注意事項】為保證小鋼球干凈，不要用手拿。油的粘度隨溫度變化顯著，實驗時不要用手摸量筒，每次試驗后要立即記錄油溫。5次實驗中油溫相差不大于1℃時，可求粘滯系數的平均值η?！締栴}思考】實驗中產生誤差的主要原因是哪些？嘗試說明。答：（1）計時時小球起點位置引起的誤差；（2）圓管直徑變化對小球運動速度變化的影響引起的誤差；（3）其他因素引起的誤差。小球的直徑大些可以嗎？答：液體粘度與小球體積是有關系的，所以不同的小球的下落時間就是不一樣的，通常球越小，下落越快，球越大下落越慢。從誤差角度考慮，小球直徑越大誤差越小。但直徑增大，重力增大，這樣下降速度增加，收尾速度增加，又是不希望看到的。所以，在傳統(tǒng)實驗中，為了使收尾速度變小，不得不采用直徑較小的小球，這樣就存在較大的誤差。怎樣合理地選擇量筒上N1、N2刻線的位置？N1可以在液面位置嗎？為什么？答：N1不可以在液面位置，如果N1設在液面位置會因為小球在開始計時后并未被液體浸潤而造成嚴重的實驗誤差。正確設置方法是N1應設在液面以下位于小球開始做勻速下落的位置，N2應設置在距量筒底部大于小球直徑以上的位置，且不應與N1距離過近。小球放入量筒中需注意什么問題？答：小球放入量筒時應注意不能隨意從液面上方丟進液體中，這