落球法測(cè)量液體粘滯系數(shù)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上落球法測(cè)量液體的粘滯系數(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)一、問(wèn)題背景液體流動(dòng)時(shí)，平行于流動(dòng)方向的各層流體速度都不相同，即存在著相對(duì)滑動(dòng)，于是在各層之間就有摩擦力產(chǎn)生，這一摩擦力稱(chēng)為粘滯力（或粘滯系數(shù)），它的方向平行于接觸面，其大小與速度梯度及接觸面積成正比，比例系數(shù)稱(chēng)為粘度，它是表征液體粘滯性強(qiáng)弱的重要參數(shù)。液體的粘滯系數(shù)和人們的生產(chǎn)，生活等方面有著密切的關(guān)系，比如醫(yī)學(xué)上常把血粘度的大小做為人體血液健康的重要標(biāo)志之一。又如，石油在封閉管道中長(zhǎng)距離輸送時(shí)，其輸運(yùn)特性與粘滯性密切相關(guān)，因而在設(shè)計(jì)管道前，必須測(cè)量被輸石油的粘度。測(cè)量液體粘度可用落球法，毛細(xì)管法，轉(zhuǎn)筒法等方法，其中落

2、球法適用于測(cè)量粘度較高的透明或半透明的液體，比如：蓖麻油、變壓器油、甘油等。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1學(xué)習(xí)和掌握一些基本物理量的測(cè)量。 2學(xué)習(xí)激光光電門(mén)的校準(zhǔn)方法。 3用落球法測(cè)量蓖麻油的粘滯系數(shù)。三、實(shí)驗(yàn)儀器 DH4606落球法液體粘滯系數(shù)測(cè)定儀、卷尺、螺旋測(cè)微器、電子天平、游標(biāo)卡尺、鋼球若干。四、實(shí)驗(yàn)原理處在液體中的小球受到鉛直方向的三個(gè)力的作用：小球的重力（為小球質(zhì)量）、液體作用于小球的浮力（是小球體積，是液體密度）和粘滯阻力（其方向與小球運(yùn)動(dòng)方向相反）。如果液體無(wú)限深廣，在小球下落速度較小情況下，有 F=6rv （1）上式稱(chēng)為斯托克斯公式，其中是小球的半徑；稱(chēng)為液體的粘度，其單位是。小球在起初下

3、落時(shí)，由于速度較小，受到的阻力也就比較小，隨著下落速度的增大，阻力也隨之增大。最后，三個(gè)力達(dá)到平衡，即mg=gV+6v0r（2）此時(shí)，小球?qū)⒁宰鲃蛩僦本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)，由（2）式可得：=(m-V)g6v0r （3）令小球的直徑為，并用，代入（3）式得 =(-)gd2t18l （4）其中為小球材料的密度，為小球勻速下落的距離，為小球下落距離所用的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，待測(cè)液體放置在容器中，故無(wú)法滿(mǎn)足無(wú)限深廣的條件，實(shí)驗(yàn)證明上式應(yīng)進(jìn)行如下修正方能符合實(shí)際情況：=(-)gd2t18l11+2.4dD1+1.6dH （5）其中為容器內(nèi)徑，為液柱高度。當(dāng)小球的密度較大，直徑不是太小，而液體的粘度值又較小時(shí)，小球在液體

4、中的平衡速度會(huì)達(dá)到較大的值，奧西思-果爾斯公式反映出了液體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)斯托克斯公式的影響： （6）其中，Re稱(chēng)為雷諾數(shù)，是表征液體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的無(wú)量綱參數(shù)。 （7）當(dāng)Re0.1時(shí)，可認(rèn)為（1）、（5）式成立；當(dāng)0.1Re1 時(shí)，應(yīng)考慮（6）式中1級(jí)修正項(xiàng)的影響，當(dāng)Re大于1時(shí)，還須考慮高次修正項(xiàng)?？紤]（6）式中1級(jí)修正項(xiàng)的影響及玻璃管的影響后，粘度可表示為： 1=-gd21.8v0(1+2.4dD)(1+3RE16)=1+3RE16 (8)由于是遠(yuǎn)小于1的數(shù)，將按冪級(jí)數(shù)展開(kāi)后近似為1-3Re/16,（8）式又可表示為： (9)已知或測(cè)量得到、等參數(shù)后，由（5）式計(jì)算粘度，再由（7）式計(jì)算，若需計(jì)算的

5、的1級(jí)修正，則由（9）式計(jì)算經(jīng)修正的粘度。在國(guó)際單位制中，的單位是Pas（帕斯卡秒），在厘米，克，秒制中，的單位是P（泊）或cP（厘泊），它們之間的換算關(guān)系是：1Pas = 10P = 1000cP （10）五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 測(cè)試架調(diào)整（1）將線(xiàn)錘裝在支撐橫梁中間部位，調(diào)整粘滯系數(shù)測(cè)定儀測(cè)試架上的三個(gè)水平調(diào)節(jié)螺釘，使線(xiàn)錘對(duì)準(zhǔn)底盤(pán)中心圓點(diǎn)；（2）將光電門(mén)按儀器使用說(shuō)明上的方法連接。接通測(cè)試儀電源，此時(shí)可以看到兩光電門(mén)的發(fā)射端發(fā)出紅光線(xiàn)束。調(diào)節(jié)上下兩個(gè)光電門(mén)發(fā)射端，使兩激光束剛好照在線(xiàn)錘的線(xiàn)上；（3）收回線(xiàn)錘，將裝有測(cè)試液體的量筒放置于底盤(pán)上，并移動(dòng)量筒使其處于底盤(pán)中央位置；將落球?qū)Ч馨卜庞跈M梁中

6、心，兩光電門(mén)接收端調(diào)整至正對(duì)發(fā)射光（可參照上述測(cè)試儀使用說(shuō)明校準(zhǔn)兩光電門(mén)）。待液體靜止后，將小球用鑷子從導(dǎo)管中放入，觀察能否擋住兩光電門(mén)光束（擋住兩光束時(shí)會(huì)有時(shí)間值顯示），若不能，適當(dāng)調(diào)整光電門(mén)的位置。2用溫度計(jì)測(cè)量待測(cè)液體溫度,當(dāng)全部小球投下后再測(cè)一次液體溫度，求其平均溫度。3用螺旋測(cè)微器測(cè)量20個(gè)小球的直徑，求其平均值。4. 計(jì)算的方差，去除不合格的小球，重新選擇其他小球，重復(fù)3、4，直到所有小球合格。5用電子天平測(cè)量20個(gè)小球的質(zhì)量，求其平均質(zhì)量。6. 計(jì)算小球的密度。7用卷尺測(cè)量光電門(mén)的距離；測(cè)量10次小球下落的時(shí)間，并求其平均值時(shí)間。8用游標(biāo)卡尺測(cè)量量筒內(nèi)徑。9. 測(cè)量液柱高度H。1

7、0相關(guān)量代入公式（5），計(jì)算液體的粘滯系數(shù)，并與該溫度下的粘滯系數(shù)相比較。不同溫度下的蓖麻油的粘滯系數(shù)可參照附表1。參考： 鋼球平均密度：蓖麻油出廠密度：六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、測(cè)量時(shí)，將小球用毛巾擦拭干凈；2、等被測(cè)液體穩(wěn)定后再投放小球；3、全部實(shí)驗(yàn)完畢后，將量筒輕移出底盤(pán)中心位置后用磁鋼將鋼球吸出，將鋼球擦拭干凈，以備下次實(shí)驗(yàn)用。七、實(shí)驗(yàn)記錄小球的直徑測(cè)量小球個(gè)數(shù)小球直徑小球個(gè)數(shù)小球直徑13.003112.99822.995122.99032.990132.99042.995143.00053.005153.00063.010163.01072.985172.99883.030182.9959

8、2.997192.995平均值2.996數(shù)據(jù)記錄儀器光電門(mén)螺旋測(cè)微器游標(biāo)卡尺電子天平卷尺溫度計(jì)精度0.0001s0.001mm0.05mm0.001g1mm1測(cè)量量時(shí)間t鋼球直徑d圓筒直徑D小球質(zhì)量m液面高度H溫度次數(shù)時(shí)間t/sD=0.0661mm=0.kgH=0.275m起始終止1（6）2.50402.482419192（7）2.49012.4659d=0.m3（8）2.46422.44484（9）2.46722.4572小球密度油密度下降距離5（10）2.43802.4338=7457kg/m3=970kg/m3l=0.0774m112.4246t=2.461根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解得0.97415

9、Pas=9.7415PRe=0.0830.1，無(wú)需進(jìn)一步修正。八、反思與總結(jié)1、為何要對(duì)公式（4）進(jìn)行修正？答:斯托克斯定律成立的條件有以下個(gè)方面: 第一,媒質(zhì)的不均一性與球體的大小相比是很小的; 第二,球體仿佛是在一望無(wú)涯的媒質(zhì)中下降;第三,球體是光滑且剛性的;第四,媒質(zhì)不會(huì)在球面上滑過(guò); 第五,球體運(yùn)動(dòng)很慢,運(yùn)動(dòng)時(shí)所遇的阻力系由媒質(zhì)的粘滯性所致,而不是因球體運(yùn)動(dòng)所推 向前行的媒質(zhì)的慣性所產(chǎn)生。 而這些條件在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中是無(wú)法滿(mǎn)足的,所以必須對(duì)斯托克斯公式進(jìn)行修正。 2、如何判斷小球在液體中已處于勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)？答:先確定量筒之間的一段長(zhǎng)度,測(cè)量出小球在此之間下落的時(shí)間,時(shí)間多次測(cè)量取平 均值,

10、算出這段距離的速度。然后再將這段距離放大或者縮小,測(cè)量時(shí)間,再算出這段 距離的速度。如果后面計(jì)算得到的速度和之前得到的速度一樣,那么就可以認(rèn)為小球在 這段距離是處于勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 3、影響測(cè)量精度的因素有哪些？答:第一:實(shí)驗(yàn)中液體油筒不水平引起誤差。如果忽略油筒垂直,將給整個(gè)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)誤 差。 第二:溫控儀未達(dá)到設(shè)定溫度,便開(kāi)始操作實(shí)驗(yàn)。因?yàn)樵O(shè)定溫度后,必須使待測(cè)液體的溫 度與水的溫度完全一致才可以測(cè)量。如果實(shí)驗(yàn)中操作不夠重視,設(shè)定的溫度與待測(cè)液體 的溫度是不一致的,測(cè)量的粘滯系數(shù)不是設(shè)定溫度下的粘滯系數(shù),此時(shí)記錄數(shù)據(jù)是有誤 差的。 第三:實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后,不可以碰撞油筒,否則會(huì)引入橫向力,造成液面漩渦,使小球靠近油筒 壁下落,帶來(lái)測(cè)量誤差。 第四:小球下落偏離軸線(xiàn)方向,小球釋放到油筒中時(shí),下落軌跡偏離軸線(xiàn),從而增加油筒 壁對(duì)小球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)