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文档简介
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
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