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落球法测量液体粘滞系数

落球法测量液体的粘滞系数实验报告

一、问题背景

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（或粘

滞系数），它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称为粘度，它是表征液体粘滞性强弱的重要参数。液体的粘滞

系数和人们的生产，生活等方面有着密切的关系，比如医学上常把血粘度

的大小做为人体血液健康的重要标志之一。又如，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。

测量液体粘度可用落球法，毛细管法，转筒法等方法，其中落球法适

用于测量粘度较高的透明或半透明的液体，比如：蓖麻油、变压器油、甘

油等。二、实验目的

1．学习和掌握一些基本物理量的测量。

2．学习激光光电门的校准方法。3．用落球法测量蓖麻油的粘滞系

数。三、实验仪器

DH4606落球法液体粘滞系数测定仪、卷尺、螺旋测微器、电子天平、

游标卡尺、钢球若干。四、实验原理

处在液体中的小球受到铅直方向的三个力的作用：小球的重力mg（m

为小球质量）、液体作用于小球的浮力?gV（V是小球体积，

?是液体密度）和粘滞阻力F（其方向与小球

运动方向相反）。如果液体无限深广，在小球下落速度v较小情况下，

有

F=6πηrv（1）

上式称为斯托克斯公式，其中r是小球的半径；

?称为液体的粘度，其单位是Pa?s。

小球在起初下落时，由于速度较小，受到的阻力也就比较小，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

mg=ρgV+6πη??0??（2）

此时，小球将以v0作匀速直线运动，由（2）式可得：

η=

()??6????0??

（3）

令小球的直径为d，并用m??

3

#39;

6

d?，

vl0?t，r?d

2

代入（3）式得

η=

(??′)?2??

18??

（4）

其中?#39;

为小球材料的密度，

l为小球匀速下落的距离，t为小球下落l距离所用的时间。

实验过程中，待测液体放置在容器中，故无法满足无限深广的条件，

实验证明上式应进

行如下修正方能符合实际情况：

η=

(??′)?2??

18??

?

1

1+2.45）

??1+1.6??

其中D为容器内径，H为液柱高度。

当小球的密度较大，直径不是太小，而液体的粘度值又较小时，小球

在液体中的平衡速

度v0会达到较大的值，奥西思-果尔斯公式反映出了液体运动状态对

斯托克斯公式的影响：

F?6??v30r(1?

16Re?191080

Re2?...)（6）

其中，Re称为雷诺数，是表征液体运动状态的无量纲参数。

Re?

?dv0

?

（7）当Relt;0.1时，可认为（1）、（5）式成立；当0.1lt;Relt;1时，

应考虑（6）式中1级修正项的影响，当Re大于1时，还须考虑高次修正

项。考虑（6）式中1级修正项的影响及玻璃管的影响后，粘度?1可表示

为：

??1=

??′???????2

1.8??=

??(8)

0(1+)(1+1+

16

由于3Re/16是远小于1的数，将

1/(1?

3Re/16)按幂级数展开后近似为

1-3Re/16,（8）式又可表示为：

?3

1

16

v0d?(9)已知或测量得到?#39;、?、D、d、v0等参数后，由（5）

式计算粘度?，再由（7）式计算Re，若需计算的Re的