用落球法测定液体的粘滞系数.doc

大学物理实验 用落球法测定液体的粘滞系数 用落球法测定液体的粘滞系数 液体的粘滞系数又称为内摩擦系数或粘度。是描绘液体内摩擦力性质的一个重要物理量。 它表征液体抗争形变的能力，只有在液体内存在相对运动时才表现出来。粘滞系数除了因材 料而异以外还比较敏感的依靠温度，液体的粘滞系数跟着温度高升而减少，气体则反之，大 体上按正比率的规律增添。研究和测定液体的粘滞系数，不单在资料科学研究方面，并且在 工程技术以及其余领域有很重要的作用。 【实验目的】 学惯用落球法测定液体的粘滞系数的原理和方法 熟习流动液体中的粘滞现象，掌握粘滞现象的一般规律 测定蓖麻油的粘滞系数 【仪器及器具】 玻璃量筒、待测液体、游标卡尺、秒表、温度计、米尺、小钢球、读数显微镜 【实验原理】 当流体流动时，各层的流速不同，相邻两层中因为流体分子的热运动，流速慢的流层中 的分子进入流速快的流层；同时，流速快的流层中的分子进入流速慢的流层，结果流速快的 将变慢，流速慢的将变快。在宏观上就相当于在两流层间产生了互相作使劲，我们称这一对 互相作使劲为内摩擦力或许粘滞力。流体中的这一现象称为粘滞现象。 一个半径为r的金属小球在无穷广延的粘滞液体中自由着落时，它遇到3个力的作用: 1）小球W=ρVg（V为小球体积；ρ为小球密度；g为重力加快度），方向向下； 2）液体作用于小球的浮力F=ρ0Vg（ρ0为液体的密度），方向向上； （3）因为附着于球面的液体与四周其余液层之间的摩擦力，即小球遇到的粘滞阻力f， 方向向上。 因为液体是无穷广延的，并且小球的半径r很小，小球着落的速度v也很小，这由斯托 克斯公式可知： f=6πrηv=3πdηv 式中，d为小球直径；η为该液体在T℃时的粘滞系数，它只与液体性质和温度相关。 一般的，液体温度越高，η越小。 在CGS制中η的单位是泊（P），1P=1g/（cm?s）；在SI制中，η的单位是帕斯卡?秒（Pa?s）， 1Pa?s=1kg/m?s=10P。 小球在液体中着落时重力ρVg和浮力ρ0Vg为恒力，而粘滞阻力f与小球着落的速度v 成正比。小球由静止开始着落，在重力作用下做加快运动，粘滞阻力跟着速度的增大而增大， 当小球着落速度v达到必定大小时，小球遇到的3个力达到均衡，即 Vg-ρ0Vg-3πdηv=0 这时小球将以v的速度做匀速着落。由上式得 (??-??)???? ?? ??= ???????? 假如h是小球在匀速着落时间为t时经过的一段行程，则v=h/t，而m=ρV，则可改写 为 (??-????)???? ?? ??= ???????? 实验中，液体在任何一个方向上都不行能是无穷广延的，小球是在内径为D、高度为H 的量筒中着落，考虑到器壁所产生的影响后，可修正为 (??-????)???? ?? ?? ??????(??+????.) ?? ?? (??+????.) ?? 由该式可看出，只需测出m、d、h、t、D和h各值，即可求出η值。 【实验步骤】 调理盛有蓖麻油的玻璃量筒，使之铅直。 2.用读数显微镜测出小钢球的直径，共测出6个小钢球的直径，记录其结果， 编号待用。 将一颗小钢球轻轻放于量筒中液面中心，让其自由着落，察看其速度变化状况，初步确立小球从何地点开始做匀速着落。 选好小球做匀速着落行程上下刻线N1、N2。为使小钢球表面完整被蓖麻油浸润，可将小钢球在油中浸一下，而后轻轻地放于液面中心，让其从静止开始着落。当小 球达到刻线N1时启动秒表开始计时，抵达N2刻线时停止秒表计时，记下时间t。并按 此法测出其余4个小球的着落时间。 5.记下每次丈量时油的温度T，用游标卡尺测出量筒内径，用米尺测出h=N1N2、 量筒中液体的深度H（蓖麻油的密度ρ0和小球的质量m由实验室给出） 【数据办理】 次数 1 2 3 4 5 项目 d/cm V/cm3 T/℃ t/s η/Pa·s 小球质量m= 量筒液深H= 着落行程h= 量筒内径D= 蓖麻油密度ρ= 均匀值： η 0 = 丈量结果η=η±sη 【注意事项】 为保证小钢球洁净，不要用手拿。 油的粘度随温度变化明显，实验时不要用手摸量筒，每次试验后要立刻记录油温。 5次实验中油温相差不大于1℃时，可求粘滞系数的均匀值η。 【问题思虑】 实验中产生偏差的主要原由是哪些？试试说明。答：（1）计不时小球起点地点惹起的偏差； 2）圆管直径变化对小球运动速度变化的影响惹起的偏差； 3）其余要素惹起的偏差。 小球的直径大些能够吗？ 答：液体粘度与小球体积是相关系的，因此不同的小球的着落时间就是不同样的，往常球越小，着落越快，球越大着落越慢。从偏差角度考虑，小球直径越大偏差越小。但直径增大，重力增大，这样降落速度增添，扫尾速度增添，又是不希望看到的。因此，在传统实验中，为了使扫尾速度变小， 不得不采纳