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1、落球法测量液体的粘滞系数【教学目的】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。【教学重点】熟悉斯托克斯定律,掌握用落球法测量液体的粘滞系数的原理和方法。【教学难点】能够熟练使用落球法粘滞系数测定仪准确的测出液体的粘滞系数。【课程讲授】提问:1. 斯托克斯定律是什么?为什么要对测量表达式(2)进行修正?2. 实验上如何使用落球法测液体的粘滞系数?一、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
2、粘滞阻力 F(其方mgg向与小球运动方向相反) 。如果液体无限深广,在小球下落速度 较小的情况下,有:v(1)rvF6L HD图 1 液体的粘滞系数测量装置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。sPar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。
3、最后,三个力达到平衡,即: rvgVm6于是小球开始作匀速直线运动,由上式可得: vr6)(令小球的直径为 ,并用 , , 代入上式得:d3dmtl2d(2)lg18)(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。 l tl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))6.1)(4.21(8)( HdDltgd其中 为容器的内径, 为液柱高度。DH二、实验仪器落球法粘滞系数测定仪、小钢球、蓖麻油、千分尺、激光光电计时仪等。三、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
4、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 。l4 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
5、 计算蓖麻油的粘滞系数,将测量结果与公认值进行比较。四、数据记录和数据处理表格一(mm)d(mm)l(mm)D(mm)H(Kg/m 3)(Kg/m 3)7.90 3100.958 310表格二 T= 0C次 1 2 3 4 5 6(s)t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。1) 6itt )6.1)(4.21(18)(2HdDdltgd2) 0%10E为测量室温下的公认值。0五、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。