落球法测液体的粘度系数

苏州大学物理实验教学中心力热学实验实验目的实验原理实验内容注意事项思考题落球法测液体的粘度系数苏州大学物理实验教学中心力热学实验当液体流动时，平行于流动方向的各层流体速度都不相同，即存在着相对滑动，于是在各层之间就有摩擦力产生，这一摩擦力称为粘滞力。粘滞力的方向平行于接触面，其大小与速度梯度及接触面积成正比。比例系数η称为粘滞系数（或粘度），粘滞系数与液体的性质，温度和流速有关，它是表征液体粘滞性强弱的重要参数。苏州大学物理实验教学中心力热学实验液体粘滞性的测量是非常重要的，对液体粘滞性的研究在医疗、航空、水利、机械润滑和液压传动等领域有广泛的应用。例如，现代医学发现，许多心血管疾病都与血液粘度的变化有关。石油在封闭管道中长距离输送时，其输运特性与粘滞性密切相关，因而在设计管道前，必须测量被输石油的粘度。测定可以有多种方法，如落球法、转筒法、阻尼法、泊肃叶法等，本实验采用落球法。苏州大学物理实验教学中心力热学实验1.观察液体的内摩擦现象；2.掌握用落球法测液体的粘度系数的原理和方法；3.测定蓖麻油的粘滞系数。【实验目的】苏州大学物理实验教学中心力热学实验苏州大学物理实验教学中心力热学实验如果一小球在液体中下落，由于附着于球面的液层与周围其他液层之间存在着相对运动，因此小球受到粘滞阻力，它的大小与小球下落的速度有关。根据斯托克斯定律，小球所受到的粘滞阻力f为:dvrvf36式中d是小球的直径，v是小球的速度，η为液体粘滞系数。斯托克斯定律要求液体是无限广延的且无旋涡产生。故所用的小球是光滑的，而且半径应当适当小。【实验原理】苏州大学物理实验教学中心力热学实验小球在液体中作自由下落时，受到三个力的作用，且都在竖直方向：重力mg、浮力ρgV和粘滞阻力f。开始下落时小球运动速度较小，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，加速度越来越小，最后，三个力达到平衡，即：Vgvdmg3mgfgV苏州大学物理实验教学中心力热学实验vgd)(vdg)Vm(18320其中ρ和ρ0分别是液体和小球的密度，d为小球的直径，g是当地的重力加速度。03061dVm对于小球又有：苏州大学物理实验教学中心力热学实验小球是在内径为D，液体高度为h的管中下落，不能满足无限宽广的条件，因此，对上式要加以实际条件的修正。当D远大于d时，考虑到实验中直接测量量是小球的直径d和匀速时一定的下落高度N1N2及所用时间t，则上式变为：)D/d.(NNtgd)(4211821201.单管法（1）苏州大学物理实验教学中心力热学实验依次测出同一小球经过一组不同内径的圆筒中同样距离所用的时间t，再作(d/D)—t曲线，对大量的实验数据进行线性拟合可发现，该曲线为一直线，延长该直线与纵轴(t轴)相交，其截距to就是D→时，即在无限广延的液体中小球匀速下落通过所用的时间，测出d、D、和(、g由实验室给出)，算出v=代入下式就可算出粘度系数2.多管法O21NNotNN212102018NNtgd)(（2）苏州大学物理实验教学中心力热学实验【实验内容】(1)调整底盘水平。(2)用螺旋测微器测小钢球的直径d，在5个不同方向上测，取其平均值。共测6个小球，记录测量的结果，编号待用。(3)用游标卡尺从不同位置分别测量6只玻璃圆筒内径D各5次。(4）用米尺测出N1与N2的间距。(5)用温度计测量油温，在全部小球下落完后再测量一次油温，取平均值作为实际油温。苏州大学物理实验教学中心力热学实验(6)单管法将6个小钢球先后自中心放入内径最大的1#圆筒内，记下相应通过所用的时间ti及油温T，利用(1)式计算出vi，即可求出21NNi(7)多管法将小球依次放入玻璃圆筒内记下相应的ti，作曲线(D为容器内径)。理论表明该曲线为一直线，将直线外推到D→∞时的t0值，于是，代入(2)式即可求得η值，并与单管法求出的η值及查表得出的该温度下的理论值进行比较。##61##61Ddt021tNNv【实验内容】苏州大学物理实验教学中心力热学实验小球di/mm/mmDi/mm/mmN1N2/mmt/sηi/Pa·s12………………………………………………………6diDiiDd%0i苏州大学物理实验教学中心力热学实验)(.mmUddidcii)(.mmUDDiDcii)(.sUtttj测测)(21.2121mmUNNNNNNj测测)/(3.cmgUc测测(8)写出各测量结果不确定度表示式)sPa(U.c苏州大学物理实验教学中心力热学实验筒内油须长时间的静止放置，以排除气泡，使液体处于静止状态。实验过程中不可捞取小球，不可搅动。将小钢球在液体中浸一下，然后用镊子把小钢球沿量筒中心轴线近液面处自由落下。液体粘滞系数随温度的变化而变化，因此测量中不要用手摸量筒。在观察小钢球通过量筒标志线时，要使视线水平，以减小误差。【注意事项】苏州大学物理实验教学中心力热学实验【思考题】1、在一定的液体中，若减小小球直径，它下落的收尾速度怎样变化？减小小球密度呢？2、若实验中未给出N1、N2两标号线的位置，怎样确定小球在圆筒中央匀速下落的范围及标出N1、N2两标号线的位置？