J8-液体粘滞系数的测定.doc

1、实验八液体粘滞系数的测定在流动的液体中，流速不等的流体形成不同的流层，各流层之间因速度不等而存在内摩擦力，称为粘滞阻力，粘滞阻力会阻碍流层的相对运动。粘滞系数 的大小液体的性质与温度有关。温度升高，液体的粘滞系数减小，而气体则相反。粘滞系数的测定在航空、造船、桥梁、化学、医学、水利工程中都有重大的实际意义。本实验内容包括一采用落球法来测定蓖麻油的粘滞系数。二利用 PH-IV 型变温粘滞系数实验仪来研究粘滞系数随温度变化的关系。【实验目的】1.了解物体在液体中运动所受的粘滞阻力、并测定流体的粘滞系数 。2.研究液体粘滞系数随温度变化的关系。A. 落球法【实验原理】根据流体力学知识，我们知道，粘滞

2、阻力的大小与流层间的接触面积A 及垂直于速度方向的速度梯度du 成正比 , 即dyfA dudy其中 f 为粘滞阻力；为粘滞系数；A为流层间接触面积；当小球在液体中运动，如果运动速度较小时，物体所受的阻力主要是粘滞阻力，该力是由于粘附在小球表面的液层与邻近的液层因为相对运动而产生内摩擦而形成的。由斯托克斯公式得粘滞阻力大小为f6 rv ，其中 为粘滞系数， r为小球半径， v 为小球的运动速度。如图所示， 小球在装有蓖麻油的量筒中自由下落时，受三力作用，重力 G、浮力 P、粘滞阻力 f ，阻力 f 随速度增大而增大，当速度大到某个值v0 时，三力平衡， v0 称为收尾速度。用公式表示：GP f

3、即4r 3 g(0 )6 rv 03为小球密度，0 为液体密度， r 为小球半径。故可得2 gr 209v0如果考虑器壁对下落速度的影响，则上式修正为：2 gr 209v0(1r2.4 )R显然，小球在量筒中下落时，液面和器底也对下落速度产生影响。但这在边界附近有显著表现，而在容器中部这种影响可忽略。【实验装置】蓖麻油、装蓖麻油的量筒、螺旋测微器、游标卡尺、秒表、小钢珠、镊子、玻璃皿、温度计。【实验内容】在玻璃皿中任取六粒钢珠，用螺旋测微器测出直径取平均值。再用镊子将钢珠放入蓖麻油中自由下落，测出匀速时的下落时间，用游标卡尺测出下落距离及量筒内径，再将所有数据代入公式计算粘滞系数 及不确定度（

4、数据表格自拟） 。B变温粘滞系数的测定【仪器装置】PH-IV 型变温式落针粘度计是用以研究液体的粘度随温度变化关系的仪器。此仪器采用中空长圆柱体（针）在待测液体中垂直下落，采用霍尔传感器和多功能毫秒计（单板机计时器）测量落针的收尾速度，从而确定粘度并将粘度值显示出来。对待测液体进行水浴加热，通过控温装置，达到预定的温度。仪器由本体、落针、霍尔传感器、控温计时系统四部分组成。（1）粘度计本体本体结构如图1 所示。用透明玻璃管制成的内外两个圆筒容器，竖固定在水平机座上，机座底部PH-IV 型变温式落针粘度计有调水平的螺丝。内筒长550mm ，内筒内直径（2R1）约 40mm，外筒外直径约60mm。

5、内筒盛放待测液体 （如蓖麻油），内外筒之间通过控温系统灌水，用以对内筒水浴加热。外筒的一側上、下端各有一接口，用橡胶管与控温系统的水泵相连，机座上树立一块铝合金支架，其上装有霍尔传感器和取针装置。圆筒容器顶部盒子上装有投针装置，它包括喇叭型的导环和永久磁铁的拉杆。装此导环为便于取针和让针沿容器中轴下落。用取针装置把针由容器底部提起，针沿导环到达盖子顶部，被拉杆的磁铁吸住。拉起拉杆，针因重力作用而沿容器中轴线下落（2）针如图 2 所示，它是有机玻璃制成的空细长圆柱体，总长为（185mm ）其外半径为R2，直径为 d，约 5.7mm，有效密度为 s，它的下端为半球型，上端为圆台状，便与拉杆相吸。内

6、部两端装有永久磁铁， 异名磁极相对。 磁铁的同名磁极间的距离为170mm，内部有配重的铅条， 改变铅条的数量，可改变针的有效密度s。（ 3） 霍尔传感器它是灵敏度极高的开关型霍尔传感器，做成圆柱状，外部有螺纹，可用螺母固定在仪器本体的铝板上。输出信号通过屏蔽电缆、航空插头接到单板机计时器上。其电路方框图如图3 所示。传感器由5V 直流电源供电，外壳用非磁性金属材料（铜）封装，每当磁铁经过霍尔传感器前端时，传感器即输出一个矩型脉冲，同时有LED （发光二极管）指示。（4）单板机计时器以单板机为基础的SD-A 型多功能毫秒计用以计时和处理数据，硬件采用MCS-51 系列微处理芯片，配有并行接口，驱

7、动电路，输入有4x4 键盘实现。显示为6 个数码管，软件固化在2764EPROM 中，霍尔传感器产生的脉冲经整型后，从航空插座输入单板机，由计时器完成两次脉冲之间的计时，接受参数输入，并将结果计算和显示出来。它由 220V 交流电供电，经整流稳压变为 5V 直流电。（ 5） 控温系统控温系统由水泵、加热装置及控温装置组成。微型水泵运转时，水流自粘度计本体的底部流入，自顶部流出，形成水循环，对待测液体进行水浴加热，加热功率为 100W ，并通过控温装置的调节，达到预定温度。待测液体的温度则用置于其中的酒精温度计测量。【实验原理】当针在待测液体中沿中轴垂直下落时，经过一段时间，针受重力与粘滞阻力以

8、及针上下端面压力差达到平衡，针变为匀速运动，这时针的速度称为收尾速度，此速度可通过测量针内两磁铁经过传感器的时间间隔 T 求得。对于牛顿液体，在恒稳条件下，求粘滞系数的公式为：12g R22 ( sl )3LrR1(ln1)（ 1）2 V03R1R211)2Cw Lr(lnR2式中 R1容器内筒半径， R2落针外半径， V 0针下落收尾速度， g 重力加速度，s针的有效密度，l 液体密度，液体粘滞系数，其中壁和针长的修正系数为Cw 12.04k2.09k 30.95k 5其中 kR2（ 2）R1L rL 2R2（ 3）2R2V0LTL 两磁铁同名磁极的间距， T两磁铁经过传感器的时间间隔则（

9、1）式可改写为：gR22 t ( sl )(12)(ln R1R12R22)（ 4）2L3LrR2R12R22在变温条件下，还必须考虑到液体密度随温度的改变l0（5）1(t t0 ) 值可用实验方法确定，大约0.9310 3 / 0c0200 c963Kg / m3 , t 0200 C这样， 将（ 5）式代入（ 4）式，即可计算粘滞系数。因为将计算 的程序已固化在EPROM 中，所以，利用单板机可将粘滞系数计算并显示，实现了智能化。【实验内容】（ 1）加热液体：接通控温系统的电源，安下控温按钮，启动水泵，将温度控制器编码开关0行保温，由于热惯性，需待一段时间后，才能达到平衡，计下容器中酒精温

10、度计的读数（此为液体温度）。（ 2）控温机箱上的数显表显示“ PH-2 ”，霍尔传感器上的 LED 灯亮。（ 3）用游标卡尺测量针的直径和长度L ，计算针的体积 V（用量筒直接测量针的体积也可） 。用天平称针的质量 m，从而求出针的有效密度msV（ 4）用比重计测量液体的密度l ，若无比重计，l 由实验室给出。（ 5）取下容器端的盖子，将针放入液体中，然后盖上盖子。（ 6）按控温机箱上的复位键，显示“PH-2”，表示已经进入复位状态。（ 7）按“ 2”键，“ H “或” L“表示毫秒计进入计时待命状态。（ 8）将投针装置的磁铁拉起，让针落下，稍待片刻，数显表显示时间（ms），按 A 键提示修改

11、参数，第一次显示落针的有效密度，第二次显示蓖麻油的有效密度，第三次按A 键显示该设定温度下的液体粘滞系数。（ 9）用取针装置将针拉起，重复测量。（ 10）实验者还可用多功能计时器上的“计停”键，启动电子秒表功能，测定下落的时间，与上述记时进行核对。（ 11）设定其它温度，继续加热液体，测定该温度下液体的粘滞系数，做粘滞系数与温度的曲线。【注意事项】1应让针沿圆筒中心轴线下落。2落针过程中，针应保持竖直状态。3用取针装置将针拉起悬挂在容器上端后，由于液体受到扰动，处于不稳定状态，应梢待片刻，再进行测量。4取针装置将针拉起并悬挂后，应将取针装置上的磁铁旋转，离开容器，以免对针的下落造成影响。5建议

12、实验者先在复位后用计停键手动测量落针时间，然后用霍尔探头作自动测量，训练实验技巧。6取针和投针时均需小心操作，以免把仪器本体弄倒，打坏圆筒容器。7实验完毕，测出的液体粘滞系数在存在的系统误差、环境误差等一系列的误差情况下，误差范围8%-15%之间。 出师表两汉：诸葛亮先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其刑赏，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使

13、内外异法也。侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下：愚以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。将军向宠，性行淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之曰 “能 ”，是以众议举宠为督：愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。亲贤臣，远小人，此先汉所以兴隆也；亲小人，远贤臣，此后汉所以倾颓也。先帝在时，每与臣论此事，未尝不叹息痛恨于桓、灵也。侍中、尚书、长史、参军，此悉贞良死节之臣，愿陛下亲之、信之，则汉室之隆，可计日而待也。臣本布衣，躬耕于南阳，苟全性命于乱世，不求闻达于诸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顾臣于草庐之中，咨臣以当世之事，由是感激，遂许先帝以驱驰。后值倾覆，受任于败军之际，奉命于危难之间，尔来二十有一年矣。先帝知臣谨慎，故临崩寄臣以大事也。受命以来，夙夜