落球法测量液体粘滞系数(共6页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上液体粘滞系数的测量（落球法）在工业生产和科学研究中（如流体的传输、液压传动、机器润滑、船舶制造、化学原料及医学等方面）常常需要知道液体的粘滞系数。测定液体粘滞系数的方法有多种，落球法（也称斯托克斯Stokes法）是最基本的一种。它是利用液体对固体的摩擦阻力来确定粘滞系数的，可用来测量粘滞系数较大的液体。【实验目的】1. 观察液体的内摩擦现象，根据斯托克斯公式用落球法测量液体的粘滞系数； 2. 掌握激光光电计时仪的使用方法； 3. 了解雷诺数与斯托克斯公式的修正数；4掌握用落球法测粘滞系数的原理和方法；5测定当时温度下变压器油的粘滞系数。【实验前准备】1.自学斯托克斯公

2、式及雷诺数；2.粗略阅读讲义，了解大致的实验过程；3.认真阅读讲义，明确实验原理，写出自己设计的实验方案；4.再次阅读讲义，提出自己的疑问或可能的其他实验方案，如下落时间还有其他方法测量吗等；5.进一步熟悉并掌握某些测量器具的用法（如游标卡尺、螺旋测微计、秒表等）。6.设计实验数据记录表格；7.复习不确定度计算方法并推导出本实验要用的不确定计算公式。【自学资料】1 如何定义粘滞力（内摩擦力）？粘滞系数取决于什么？ 当液体稳定流动时，流速不同的各流层之间所产生的层面切线方向的作用力即为粘滞力（或称内摩擦力）。其大小与流层的面积成正比，与速度的梯度成正比，即： (1)式中比例系数即为该液体的粘滞系

3、数。粘滞系数决定于液体的性质和温度。2 实验依据的主要定律是什么？它需要什么条件？ 主要依据斯托克斯定律，即半径为r的圆球，以速度v在粘滞系数为的液体中运动时，圆球所受液体的粘滞阻力大小为： (2) 它要求液体是无限广延的且无旋涡产生。3 实验的简要原理是什么？ 圆球在液体中下落时，受到重力、浮力和粘滞阻力的作用，由斯托克斯定律知粘滞阻力与圆球的下落速度成正比，当粘滞阻力与液体的浮力之和等于重力时，圆球所受合外力为零，圆球此后将以收尾速度匀速下落。由此得到： 式中：为圆球密度，0为液体密度，d为圆球直径，v0为圆球的收尾速度。4 是否可用上式展开实验？为什么？ 显然不能利用上式进行实验。因为实

4、验中无法满足公式中液体为无限广延的条件。5 如何利用斯托克斯定律进行实验测量？ 实验中，圆球是在半径为R的圆筒内运动，如果只考虑筒壁对圆球运动的影响，则应将斯托克斯定律修正为： 从而得到： 此式即为落球法测粘滞系数的实验公式。式中：D为圆筒直径，K为修正系数通常取2.4（也有取2.1）。6 用实验公式进行测量有哪些要求？ 首先测量用圆筒应尽量的粗一些、长一些，尽量使圆球沿圆筒的中心轴线下落；其次，为了不产生旋涡，圆球的收尾速度不能太大；因此，圆球的直径应该小些。7 怎样测量圆球下落的收尾速度V0？ 因为圆球最后是以匀速下落，所以可在圆筒外做两个标记线A、B，其间距L可用直尺测出，当用秒表测出圆

5、球经过L的时间t后，就有V0=L/t，由此实验公式可改写为： （K=2.4）8 在实验过程中，测量的最关键点是什么？ 由公式可知0、d、L、D均为静态测量，这些量中最关键的则是圆球直径的测量。t的测量为动态测量，其关键点在于圆球下落经过上标记线A以后，必须是匀速运动。若不是，则需将A线下移。【实验器材】VM-1落球法粘滞系数测定仪、小钢球、甘油、玻璃量筒，卷尺、千分尺、游标卡尺、螺旋测微器、液体密度计、激光光电记时仪、温度计，镊子，天平。【实验原理】如图1，当金属小球在粘性液体中下落时，它受到三个铅直方向的力：小球的重力、液体作用于小球的浮力（V为小球体积，为液体密度）和粘滞阻力F（其方向与小

6、球运动方向相反）。如果液体无限深广，在小球下落速度较小的情况下，有：123 LHD图1 液体的粘滞系数测量装置示意图及原理图 （1）上式称为斯托克斯公式，式中为液体的粘滞系数，单位是，为小球的半径。斯托克斯定律成立的条件有以下5个方面： 1）媒质的不均一性与球体的大小相比是很小的；2）球体仿佛是在一望无涯的媒质中下降；3）球体是光滑且刚性的；4）媒质不会在球面上滑过；5） 球体运动很慢，故运动时所遇的阻力系由媒质的粘滞性所致，而不是因球体运动所推向前行的媒质的惯性所产生。小球开始下落时，由于速度尚小，所以阻力不大，但是随着下落速度的增大，阻力也随之增大。最后，三个力达到平衡，即：于是小球开始作

7、匀速直线运动，由上式可得：令小球的直径为，并用，代入上式得： （2）其中为小球材料的密度，为小球匀速下落的距离，为小球下落距离所用的时间。实验时，待测液体盛于容器中，故不能满足无限深广的条件，实验证明上式应该进行修正。测量表达式为： （3）其中为容器的内径，为液柱高度。【实验步骤】1 调整粘滞系数测量装置及实验仪器 1） 调整底盘水平，在仪器横梁中间部位放重锤部件，调节底盘旋钮，使重锤对准底盘的中心圆点。 2） 将实验架上的两激光器接通电源，并进行调节，使其红色激光束平行对准锤线。 3） 收回重锤部件，将盛有待测液体的量筒放置到实验架底盘中央，并在实验中保持位置不变。 4） 在实验架上放上钢球

8、导管。小球用酒精清洗干净，并用滤纸吸干。 5） 将小球放入钢球导管，看其能否阻挡光线，如不能，则适当调整激光器位置。2 用温度计测量油温，在全部小球下落完后再测一次油温，取其平均值。3 测量上下两激光束之间的距离。4 将小球放入钢球导管，当小球落下，阻挡上面的红色激光束，秒表开始记时，到小球落到阻挡下面的红色激光束时，停止记时，读出下落时间，重复6次。5 计算蓖麻油的粘滞系数，将测量结果与公认值进行比较。【数据记录和数据处理】表(1)几何参数的测量（小球的密度=7.90Kg/m3，油的密度=0.958 Kg/m3）测量量测量次第平均值12345圆筒直径D(cm)下落距离L(cm)小球直径d(c

9、m)表(2)实验过程中小球下落的时间 T1= 0C，T2= 0C次123456（s）数据处理要求：1.计算蓖麻油的粘滞系数；2.将测量结果与公认值进行比较，求出相对误差；3.计算不确定度。1）利用计算，即 2）为测量室温下的公认值。3）计算标准不确定度计算， ，计算， 计算 ， ， ， 计算 ， ， ， 计算其中， 4.给出实验结果：，物理单位正确,有效数字表述正确。【思考题】1）为什么要对测量表达式（2）进行修正？提示：斯托克斯定律成立的条件是球体是在无限深广的液体中下降，而实验采用的有限的油柱，故应进行修正。2） 本实验中如果钢球表面粗糙对实验会有影响吗？提示：有。斯托克斯定律成立的条件要求球体是光滑且刚性的。3） 激光束为什么一定要通过玻璃圆筒的中心轴？提示：激光束如果不通过玻璃圆筒的中心轴，小球下落时就不会阻挡激光束，激光计时器就得不到启动信号而不能计时。4） 本实验中不少的同学每次测量的时间完全一样，由此你能够对电子计时仪器提出什么要求？5)如何判断小球在作匀速运动？提示：让小球贴近液面下落，测量其经过测量区域一定距离的时间，然后再将小球液面上面一定高度处下落，测量通过同样距离的时间，若两次时间相同，则可判断小球在作匀速运动。专心-专注-专业