粘滞系数的测定

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1、液体粘滞系数的测定实验目的1了解用斯托克斯公式测定液体粘滞系数的原理，掌握其适用条件。2学习用落球法测定液体的粘滞系数。3. 学习用半导体激光传感器测量小球在液体中下落的时间实验原理当物体球在液体中运动时，物体将会受到液体施加的与运动方向相反的摩擦阻力的 作用，这种阻力称为粘滞阻力，简称粘滞力。粘滞阻力并不是物体与液体间的摩擦力， 而是由附着在物体表面并随物体一起运动的液体层与附近液层间的摩擦而产生的。粘滞 力的大小与液体的性质、物体的形状和运动速度等因素有关。根据斯托克斯定律，光滑的小球在无限广延的液体中运动时，当液体的粘滞性较大， 小球的半径很小，且在运动中不产生旋涡，那么小球所受到的粘滞

2、阻力f为/ = 一3呵 vd（1）式中d是小球的直径，v是小球的速度，n为液体粘滞系数。n就是液体粘滞性的度量， 与温度有密切的关系，对液体来说，n随温度的升高而减少（见附表）。本实验应用落球法来测量液体的粘滞系数。小球在液体中作自由下落时，受到三个 力的作用，三个力都在竖直方向，它们是重力p gV、浮力p 0gV、粘滞阻力f。开始下落 时小球运动的速度较小，相应的阻力也小，重力大于粘滞阻力和浮力，所以小球作加速 运动。由于粘滞阻力随小球的运动速度增加而逐渐增加，加速度也越来越小，当小球所 受合外力为零时，趋于匀速运动，此时的速度称为收尾速度，记为v0。经计算可得液体 的粘滞系数为0(2)(3

3、)4)pVg -p Vg - 3兀qvd 二 0小球的体积V二含“r3 =6 d336把（ 3）式代入（ 2）得(p-p 0)gd 218v0由于（2）式只适用于无限广的液体中，实验时待测液体往往放在半径为R （Rr） 的有限大小的圆柱形玻璃管中，故考虑器壁对小球运动的影响（2）式修正为5)(P-P 丿 gd 2 d 18v (1 + K)0D式中D为圆筒的直径，d为小球的直径。p 0是液体的密度，p是小球的密度，g是当 地的重力加速度。K为修正系数，一般取2.4v0为收尾速度。可以通过测量小球经过距 s离S所用的时间t得到，即vo =则（5）式可以改写为0t(P - P ) tgd 20 厂

4、18 s (1 + K ) D测定（6）式中的各量，就可求出n。实验仪器本实验所用仪器有VM-1落球法液体粘滞系数测定仪与VM-2落球法液体粘滞系数 仪、螺旋测微器、游标卡尺、钢板尺、钢球、钢球导管、重锤线、温度计，水准器，比 重计。VM-1 落球法液体粘滞系数仪由测试架、盛液桶、测定仪三部分组成,如图 1 所示 VM-2落球法液体粘滞系数仪示意图见附录1S22；4加隸歸辭殍钗j僦早飜*5T GNDII*0*00108*5Tegm mi密讯* KESET+5VGM irnr 触张flu IlfcmJtJ IfailHUIt fElh ItehtHqbH图 1 VM-1 落球法液体粘滞系数仪1激

5、光发射器 1 2激光发射器 2 3 激光接收器 1 4激光接收器 25盛液桶6 落球导管 7 测试架 8.VM-1 粘滞系数测定仪图1 可看出，测试架由底座,两侧的力柱，及上部的橫梁构成。盛液桶放在底座的 中间，两侧的力拄中一根装有激光发射器，与其对应的另一根则装激光接收器，一对激 光发射器和激光接收器构成激光光电门，通过电缆连接到测定仪。测定仪是一种采用单 片微处理器控制的智能化仪器，具有计量时间准确度高、重复性好的优点。它是通过小 球下落经过激光器时，因遮挡激光束而造成激光接收器的输出产生1到 0的跳变，利用 这个下降边沿触发开始计时和结束计时。测定仪面板上的“次数予置”键，用来设置小球经

6、过光电门的个数，因为第一光电 门是启动计时的，所以设置“1”时，小球将在经过第二光电门时停止计时；“RESET ”键，用来清零计时数。实验内容（VM-1落球法液体粘滞系数仪）（VM-2落球法液体粘滞系数仪的实验方法见 附录1） 记录温度：将水银温度计放入盛液桶中，记录实验开始和结束时的温度，求出实 验开始和结束时的温度平均值 测量小钢球的直径：用螺旋测微器分别测量3种小钢球的直径d （选不同方向测量 五次后取平均）。 测量盛液桶的内径：用游标卡尺测量盛液桶的内径Do （选不同方向测量五次后取 平均）。 调节a 调节底座水平：将水准器放在底座中间，调节底座的三个螺钉，使水准器气泡居 中。b 将盛

7、液桶放到实验架底座中间；在实验架横梁上放下重锤到盛液桶的底部，（注意： 放下重锤时速度一定要慢，否则会使液体中产生气泡）离桶底约一厘米；调节盛液桶的 位置，使重锤线位于盛液桶的中心轴线。此中心轴线将是落球的理想路径。c连接：由图1所示，实验架上激光发射器1的位置应距液面22CM,二个激光发射 器分别连接到测定仪面板左侧的电源端，打开电源，可见其发红光，调节激光发射器， 使红色激光对准重锤线。二个激光接收器连接到测定仪面板右面侧，先接+5V和GND （红 线、黑线），暂不连接信号线（黄线）到INPUT，收回重锤线（注意：收回重锤时速度一 定要慢，否则会使液体中产生气泡），调节上中下激光接收器，使

8、与相应的发射器等高， 方法是使激光接收器上的小孔对准红色激光，此时接收器上的发光管不亮。再将二个接 收器的信号线（黄线）连接到面板的INPUT。此时面板上的低电平指示灯应不亮。d撤去横梁上的重锤部件。放上与小球相应的钢球导管，钢球导管插入液体1-2mm 为佳。 检验是否匀速：测定仪清零（按RESET键）；计时次数设置为“1”；光电门1放 置在上部，光电门2放置在中部，设高度差为S1； 3种直径的小刚球其直径从小到大可 依次编为13号，选2号小钢球（小钢球先在油中浸润），通过上部的导管放入盛液桶， 小球在液体中下落，经过光电门1时启动计时，经过光电门2时停止计时，记录时间t1o 降低光电门2的高

9、度，此时两光电门的高度差S2，记录时间t2,计算出速度v1和v2,只 要v1和v2的相对误差Z5%就可任为是匀速。否则要加大光电门1距液面的距离。 粘滞系数测定：测定仪清零（按RESET键），计时次数设置为“1”，测好直径的小钢球先在油中浸润，将浸润后的小钢球依次从与小球相应的钢球导管放入盛液桶，测 量t，S；（每种小球测5次，计算t的平均值）；用比重计测出液体的密度p 0用（6） 式计算粘滞系数n o实验数据表格、1.小钢球直径d螺旋测微器初始读数=mm、次数 直径、 (mm)、12345平均值修正值1号球直径(mm)2号球直径(mm)3号球直径(mm)实验前温度 T = 0C实验后温度 T

10、 = 0C2盛液桶内径D次数12345平均值内径(cm)3.检查勻速序号S1 (cm)t1(s)v1(cm/s )S2 (cm)t2(s)v2 (cm/s)v相对误差%4.粘滞系数测定1号球次数直径(mm)t (s)S(cm)D(cm)P 0(kg/m )n (Pa.s)12345平均值2号球次数直径(mm)t (s)S(cm)D(cm)P 0(kg/m3)n (Pa.s)次数直径(mm) t (s)S(cm) D(cm) p 忑加3)n (Pa.s)12345平均值3号球次数直径(mm)t (s)S(cm)D(cm)P 0(kg/m )n (Pa.s)12345平均值附录1874259VM-

11、2落耶法液体粘常系数测定仪10复位S2接主机后面板 激光信号控制插座3ng1测试架 2激光发射器1 3 激光发射器2 4激光接收器1 5激光接收器2 6.调平螺 钉（三个） 7盛液桶 8. 落球导管 9.VM-2 落球法液体粘滞系数测定仪主机 10.计时器 记录温度：将水银温度计放入盛液桶中，记录实验开始和结束时的温度，求出实 验开始和结束时的温度平均值 测量小钢球的直径：用螺旋测微器分别测量3种小钢球的直径d （选不同方向测量 五次后取平均）。 测量盛液桶的内径：用游标卡尺测量盛液桶的内径Do （选不同方向测量五次后取 平均）。 调节a调节底座水平：将水准器放在底座中间，调节底座的三个螺钉，

12、使水准器气泡居中。b 将盛液桶放到实验架底座中间；在实验架横梁上放下重锤到盛液桶的底部（注意： 放下重锤时速度一定要慢，否则会使液体中产生气泡），离桶底约一厘米；调节盛液桶的 位置，使重锤线位于盛液桶的中心轴线。此中心轴线将是落球的理想路径。c调节激光发射器与激光接收器：调节上激光发射器的位置应距液面N2CM，下激光发 射器在盛液桶中部，打开电源，可见上下两激光发射器发出红光，调节激光发射器位置 使红色激光对准重锤线。收回重锤线（注意：收回重锤时速度一定要慢，否则会使液体 中产生气泡），调节上下激光接收器，使与相应的发射器等高，使其对准激光发射器；若 调好，激光接收器上指示灯则不亮。d 撤去横

13、梁上的重锤部件，放上与小球相应的钢球导管，钢球导管插入液体 1-2mm 为佳。 检验是否匀速：上光电门放置在上部，下光电门放置在中部，设高度差为S1； 3 种直径的小刚球其直径从小到大可依次编为13号，选2号小钢球（小钢球先在油中浸 润），通过上部的导管放入盛液桶，小球在液体中下落，经过上光电门时启动计时，经过 下光电门时停止计时，记录时间tl。降低下光电门的高度，此时两光电门的高度差S2 , 记录时间t2,计算出速度vl和v2,只要vl和v2的相对误差Z5%就可任为是匀速。否 则要加大上光电门距液面的距离。 粘滞系数测定：测量t，S （每种小球测5次，计算t的平均值）；用比重计测出液体 的密度p 0用公式（6）计算粘滞系数n附录2一、钢的密度p a7900kg/m3注意事项 调节激光光电部件前，尽可能调整盛液桶在底盘中央，然后实验中其位置不 得改变。 激光发射器和接收器前部有一小孔，务请不要堵塞。 管子内的液体应无气泡，小球表面应光滑无油污 为使测量过程中液体的温度应保持不变，实验测量过程持续的时间间隔应尽可能短 两次测量中应停顿，因小球连续下降使液体内部有牵连速度。 实验结束应整理仪器：小球从桶内吸出，按不同 规格放入三种盒子中；导球管，重锤与吸铁石放入两 种不同的小容器中；清理桌面，支架，主机及大盒子 内的油渍。