落球法变温液体粘滞系数测量.doc

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1、DH4606BDH4606B落球法变温液体粘滞系数测定仪落球法变温液体粘滞系数测定仪使 用 说 明 书落球法变温液体粘滞系数测量落球法变温液体粘滞系数测量有关液体中物体运动的问题，19 世纪物理学家斯托克斯建立了著名的流体力学方程组，它较为系统地反映了流体在运动过程中质量、动量、能量之间的关系：一个在液体中运动的物体所受力的大小与物体的几何形状、速度以及内摩擦里有关。当液体内各部分之间有相对运动时，接触面之间存在内摩擦力，阻碍液体的相对运动，这种性质称为液体的粘滞性，液体的内摩擦力称为粘滞力。粘滞力的大小与接触面面积以及接触面处的速度梯度成正比，比例系数 称为粘度（或粘滞系数） 。对液体粘滞性

2、的研究在流体力学、化学化工、医疗、水利等领域都有广泛的应用，例如在用管道输送液体时要根据输送液体的流量、压力差、输送距离及液体粘度，设计输送管道的口径。测量液体粘度可用落球法、毛细管法、转筒法等方法，其中落球法（又称斯托克斯法）适用于测量粘度较高的液体。粘度的大小取决于液体的性质和温度，温度升高，粘度将迅速减小。例如对于蓖麻油，在室温附近改变 1，粘度值改变约 10%。因此，测定液体在不同温度的粘度有很大的实际意义。要准确测量液体的粘度，必须精确控制液体温度。本实验中采用落球法，PID 控温及用秒表计时测量小球在不同温度的液体中下落的时间来测出液体的粘滞系数。一、实验目的一、实验目的1、了解测

3、量液体的变温粘滞系数的意义。2、学习和掌握一些基本物理量的测量。3、了解 PID 温度控制的原理，掌握温度控制器的设置使用方法。4、用落球法测量蓖麻油的粘滞系数。二、实验仪器二、实验仪器仪器由 DH4606B 落球法变温液体粘滞系数测定仪、恒温水循环控制系统、螺旋测微器（自备） 、游标卡尺（自备） 、秒表、镊子、钢球若干、蓖麻油、硅胶水管、连接线以及取球杆等组成。1、 测定仪1. PT100 输出接口：与温度计传感器输入接口相连，用于指示待测液体的温度；2. PT100 温度传感器：放置在待测液体中（如蓖麻油） ； 3. 玻璃管容器：双层结构，内层装待测液体，外层可以通入水循环系统；4. 上出

4、水口：与恒温水循环系统的回水口相连；5. 下入水口：与恒温水循环系统的出水口相连；6. 秒表（计时用） 7.配件盒（含钢珠若干） 8.取球杆：用于取出玻璃容器内钢球图 1 落球法变温液体粘滞系数测定仪2、 恒温水循环控制系统图 2 恒温水循环控制系统-前面板图图 3 恒温水循环控制系统-后面板图水位指示水位指示：指示水循环系统内水位，首次使用，需从加水口对系统加水，直到水位指示上限灯亮起即可。加水前确保出水口和回水口与测试仪已对应相连，且排水口处于关闭状态，溢水口有接水容器（防止加水过多溢出） 。若开机低水位报警灯亮起并发出警报，请立即关闭电源，向系统注入足量水后再开启系统电源。正常工作时，推

5、荐的水位在下限与上限之间，水位不能低于下限；水泵开关水泵开关：开启水循环（开启前确保出水口与回水口与外部测试仪已连接） ；风扇开关：风扇开关：实验完毕后，将温控表设置到室温以下，开启风扇开关对水温散热。传感器传感器：传感器接口与外部 PT100 温度传感器相连，温度计窗口将显示温度值；温度计温度计：指示外部接入的 PT100 温度，显示分辨率 0.1，测量范围 0-200；温控表温控表：设置水循环系统内水温，并对水温进行控制，稳定度0.2；注意设置温度不能超过 85；具体操作说明见附件；回水口：回水口：循环水经过出水口流经被测对象后返回系统的接口；溢水口：溢水口：系统储水容器水位过多后的溢出口

6、；出水口：出水口：系统出水口；排水口排水口：用于排空系统储水；空气开关空气开关：安全保护开关，正常工作时需手动开启。三、实验原理三、实验原理在稳定流动的液体中，由于各层的液体流速不同，互相接触的两层液体之间存在相互作用，快的一层给慢的一层以阻力，这一对力称为流体的内摩擦力或粘滞力。实验证明：若以液层垂直的方向作为 X 轴方向，则相邻两个流层之间的内摩擦力 f 与所取流层的面积 S 及流层间速度的空间变化率的乘积成正比：xv dd（1）Sddfxv其中 称为液体的粘滞系数，它决定于液体的性质和温度。粘滞性随着温度的升高而减小。如果液体是无限广延的，液体的粘滞性较大，小球的半径很小，且在运动是不产

7、生旋涡，那么根据斯托克斯定律，小球受到的粘滞阻力 f 为：（2）vr6f式中 为液体的粘滞系数，r 为小球半径，v 为小球运动速度。若小球在无限广延的液体中下落，受到的粘滞力为 f，重力为。这里 V 是小球的体积，和分别gV0为小球和液体的密度，g 为重力加速度。小球开始下降时速度较小，相应的粘滞力也较小，小球作加速运动。随着速度的增加，粘滞力也增加，最后球的重力、浮力及粘滞力三力达到平衡，小球做匀速运动，此时的速度称为收尾速度，即为：（3）0vr6gV-gV0小球的体积为：（4）33d61r34V把（3）式代入（2）式，得：（5）v18dg)3 0（式中 v 为小球的收尾速度，d 为小球的直

8、径。由于（1）式只适合无限广延的液体，在本实验中，小球是在直径为 D 的装有液体的圆柱形玻璃圆筒内运动，不是无限广延的液体，考虑到管壁对小球的影响， （5）式应修正为：（6） )DdK1 (v18dg)02 0（式中为实验条件下的收尾速度，D 为量筒的内直径，K 为修正系数，这里取0vK=2.4。收尾速度可以通过测量玻璃量筒外事先选定的两个标号线 A 和 B 的距离 s0v和小球经过 s 距离的时间 t 得到，即。tsv0四、实验内容和步骤四、实验内容和步骤1、将恒温水循环控制系统机箱后面的“出水口”和“回水口”用硅胶管分别与测试仪“下入水口”和“上出水口”对应相连，连接好后循环水将从测试仪玻

9、璃管下端进，上端出。 2、在玻璃管中注入蓖麻油；将 PT100 温度传感器探头插入蓖麻油中，温度传感器的输出插座连接到测试架上的传感器输入，测试架上的传感器输出连接到恒温水循环控制系统前面板上的传感器接口，这样温度计将指示实际的油温。3、先将恒温水循环控制系统的水箱加满水，注意溢水口需放置接水容器，防止水满溢出；当水位上限指示灯亮起时停止加水；加水过程中确保“排水口”处于关闭状态。 4、打开电源开关和空气开关，开启水泵开关，启动水循环。5、通过温控表将循环水温度设定在某一温度，蓖麻油将被水循环系统加热，循环水的温度设定值可自行更改，温控表使用说明参见附件。蓖麻油的实际温度由恒温水循环控制系统上

10、的温度计指示（非温控表示值） ，当循环水的温度达到稳定后（波动0.2） ，观察蓖麻油温度显示值，直到该温度显示稳定后记录此值，即可开展如下实验。6、测量并记录数据：测量圆筒的内径 D，记录开始实验时的室温，测定或查表并记录液体的密0T度值。记录下螺旋测微器的初读数，然后用螺旋测微器测量小钢球的直径 d，共0d测量 6 个钢球，将数据记录在表格 1 中，求出钢球直径平均值。d用镊子夹起小钢球，为了使其表面完全被所测的油浸润，可以先将小钢球在油中浸一下，然后放在玻璃圆筒中央，使小球沿圆筒轴线下落，观察小球在什么位置开始作匀速运动。在小球开始进入匀速运动略低的位置选定上标记线 A，在下端合适位置选定

11、下标记线 B，确定后记录 A、B 之间的距离 s，这样就可以进行正常测量。当小钢球下落经过标记线 A 时，立即启动秒表，使秒表开始计时，当小钢球到达标记线 B 时，再按一下秒表，停止计时，这样秒表就记录了小钢球从 A 下落到B（即经过距离 s）所需的时间 t，把该数值记录到表格 2 中。重复步骤，连续测量 3 个相同质量小球下落的时间，并记录数据。改变温度设置值，在不同的温度下重复以上步骤，将数据记录在表格 2 中。实验结束后用顶端有磁性的取球杆取出小刚球，妥善存放。注意事项注意事项：1、本实验温度设置不应高于 50，否则液体粘滞度太小，小球下落速度过快（甚至不出现匀速运动） ，造成实验不能正

12、常进行。2、当实验仪器长时间不用应把水循环系统和玻璃管里的水排空。3、若循环水太脏应及时更换干净的水，建议使用纯净水。4、当水循环系统未与测试仪连接时，禁止开启水泵开关。5、实验完成后，请将温控表设置在室温以下，并开启风扇开关使水温降到室温附近。6、水位下限指示灯熄灭后及时补水；低水位报警后立即关闭电源进行补水或检查仪器工作是否异常。五、实验数据记录五、实验数据记录量筒内直径 D= A、B 间距离 s= 蓖麻油的密度 ；钢球的密度约为 7.8g/cm3 (如需精确测量，则3 0cm/g9570. 0可用天平取一定数量的钢球称总重，求出单颗重量，用螺旋测微器测量这些钢球直径并取平均值，最后根据密

13、度公式计算钢球密度) 。室温= 螺旋测微器初始读数= 0T0d表 1 小钢球直径测量数据记录实验次数项 目123456螺旋测微器读值d（mm）小钢球实际直径0id-dd 直径平均值d表 2 在不同温度下，小钢球从标记 A 到标记 B 匀速下落的时间记录液体温度 （） 下落时间室温2530354045钢球 1（s）钢球 2（s）钢球 3（s）对应温度时钢球下 落时间平均值（s）it收尾速度（m/s）i0v六、数据处理六、数据处理将代入（6） ，得tsv0（K=2.4） （7） )DdK1 (s18tdg)2 0（重复以上步骤，对不同温度 T 的和，计算 值。作 T 关系曲线。00v七、思考题七、思考题1、试分析选用不同的半径的小球作此实验时，对实验结果有何影响？2、在特定的液体中，当小钢球的半径减小时，它的收尾速度如何变化？当小钢球的速度增加时，又将如何变化？【附录附录】温度控制表操作说明温度控制表操作说明杭州大华仪器制造有限公司地址：杭州市富阳区东洲工业功能区 11 号路 3 号 电话：0571-58837552（销售） 0571-58837572（售后）传真：0571-58837553 电子信箱：网址：邮编：311401