液體黏度實驗報告

物理實驗（上）液體黏度的測量4-液體黏度的測量引言黏滯性，亦稱“內摩擦”，是指液體、氣體和等離子體內部阻礙其相對流動的一種特性。黏度反映了流體黏滯性的大小。單位為帕*秒。液體的黏度在醫(yī)學、生產(chǎn)、生活實踐中都有非常重要的意義。本實驗通過毛細管法和落球法測黏度的實驗方法和相關的數(shù)據(jù)處理（包括不確定度估算），讓學生了解黏度的物理含義，能熟練使用幾種常用的長度測量工具，以及學會當測量條件不是理想條件時如何通過修正使測量結果更接近于真實結果的技巧。實驗原理黏度的定義在流動流體中平行于流動方向將流體分成流速不同的各層，則在任何相鄰兩層的接觸面上就有與面平行而與相對流動方向相反的阻力或曳力存在。這種阻力或曳力稱為“黏滯力”或“內摩擦力”。實驗表明，對于某些流體，相鄰流層單位接觸面上的黏滯力τ與速度梯度（即相鄰流層的速度差dv與流層間距dx之比dv/dx）成正比，即τ=ηdv/dx（1）比例系數(shù)η稱為“動力黏度”，簡稱“黏度”，或稱“黏滯系數(shù)”、“內摩擦系數(shù)”。這一關系稱為“牛頓黏滯定律”。流體的黏度隨溫度而變，當溫度升高時，液體的黏度減小，而氣體的則增加。落球法金屬小球在粘性液體中下落時，它受到三個鉛直方向的力；小球的重力(m為小球質量)、液體作用小球的浮力(V是小球體積，ρ是液體密度)和粘滯阻力F(其方向與小球運動方向相反)。如果液體無限深廣，在小球下落速度較小情況下，有(2)上式稱為斯托克斯公式，其中r是小球的半徑；稱為液體的粘度，其單位是Pa?s。小球開始下落時，由于速度尚小，所以阻力也不大；但隨著下落速度的增大，阻力也隨之增大。最后，三個力達到平衡，即于是，小球作勻速直線運動，由上式可得：令小球的直徑為d，并用，，代入上式得：(3)其中為小球材料的密度，為小球勻速下落的距離，t為小球下落距離所用的時間。實驗時，待測液體必須盛于圓筒中，故不能滿足無限深廣的條件，實驗證明，若小球沿筒的中心軸線下降，式(2)須作如下改動方能符合實際情況：(4)其中D為圓筒內徑,H為液柱高度。泊肅葉定律實際液體在水平細圓管中流動時，因黏性而呈分層流動狀態(tài)，各流層均為同軸圓管。若細圓管半徑為r，長度為L，細管兩端的壓強差為P，液體黏度為，則細圓管的流量（5）上式即泊肅葉定律。毛細管法測液體黏度原理本實驗采用的方法是，通過測量一定體積的液體流過毛細管的時間來計算。即 （6）圖1毛細管黏度計式中即為t圖1毛細管黏度計當毛細管沿豎直位置放置時，應考慮液體本身的重力作用。因此，式（6）可表示為： （7）本實驗所用的毛細管黏度計如圖1所示，它是一個U型玻璃管，A與B之間為一毛細管，左邊上部的管泡兩端各有一刻痕C和A，右邊為一粗玻璃管且也有一管泡。實驗時將一定量的液體注入右管，用吸球將液體吸至左管。保持黏度計豎直，然后讓液體經(jīng)毛細管流回右管。設左管液面在C處時，右管中液面在D處，兩液面高度差為H，CA間高度差為h1，BD間高度差為h2。因為液面在CA及BD兩部分中下降及上升的極其緩慢（管泡半徑遠大于毛細管半徑），液體內摩檫損耗極小，故可近似作為理想液體，且流速近似為零。設毛細管內液體的流速為v，由伯努利方程可知流管中各處的壓強、流速與位置之間的關系為：對于圖1中所示的C處和A處，若取，則有其中C處流速，P0為大氣壓強，PA為A處壓強。所以有同理，對B處與D處應用伯努利方程可得B處壓強v為毛細管內的流體流速。由此，毛細管兩端壓強差為： （8）將式（8）代入式（7）得：u(t)=uA(d)=uB2=0.004/√3mm表4測量長試管內徑數(shù)據(jù)啟示錄次數(shù)12345平均值內徑D/mm26.0025.5625.7626.0225.7025.82u(D)=uA(D)=u(ρ)很小，可忽略。鋼的密度為kg/m3，上海的重力加速度g=（9.7940.001）m/s2。將以上數(shù)據(jù)代入公式（4）可得D和H對η的不確定度影響可忽略，則毛細管法表5水經(jīng)過奧式黏度計時間測量ρ1=0.9980g/cm3V=6.00mL溫度T=19.8℃序號12345平均值t1/s82.7682.5481.3581.4881.4281.91表6酒精經(jīng)過奧式黏度計時間測量ρ1=0.789~0.791g/cm3V=6.00mL溫度T=19.8℃序號12345平均值t1/s136.04136.54136.01135.64135.20135.89從附表1可查得，在溫度T=19.8℃時，水的黏度從附表2可查得，此溫度下酒精的密度約為ρ2=0.78945g/cm3。將以上數(shù)據(jù)代入公式（11）計算得 討論和分析在落球法實驗過程中，由于小球下落過程很難掌控，有些小球在下落中有些偏離中心，這樣會給下落時間測量帶來一定誤差。在落球法實驗中，實驗原理中公式（3）適用于液體無限深廣，在小球下落速度較小情況下，但是這種條件無法實現(xiàn)，所以只能使小球直徑相對于長試管的直徑和油柱高很小。用公式（3）算得η=1.036Pa﹒s，與用公式算得的數(shù)據(jù)相差比較大，所以公式（4）的修正是很有必要的。在落球法實驗中,在觀察小球下落時，視線要盧小球保持水平，這樣才能保證它下落的高度是剛尺所示數(shù)值。落球法實驗中，無法將小球撈起，于是用5個直徑相近的小球來做重復實驗。落球法實驗中，若考慮到可能出現(xiàn)湍流：A=3ρdv/16=3ρdl/16t=1.822×10-3則A/η=0.20%<0.5%于是可不必再對η進行修正。毛細管法實驗中，實驗前奧式黏度計用待測液體來潤洗，潤洗后要將管內殘留液體弄干，否則會給實驗帶來一定誤差，由公式（9）可知相應的η會偏小。毛細管法實驗中，若毛細管內有氣泡，則由公式（9）可知，測得的黏度系數(shù)會偏大。實驗過程中溫度變化不明顯，測得的結果應該比較準確。毛細管法實驗中，奧式黏度計要保持豎直，否則由公式（9）可知黏度系數(shù)會偏小。注意事項落球法實驗測好1顆小鋼珠的直徑后，即可投入小鋼珠。注意投入時，將小鋼珠浸入油面下再往上提鑷子。鋼尺讀取的是位置，長度為初、末2個讀數(shù)的差。測量時鋼尺的端邊（零點）緊貼鐵架臺的底面。記錄時間時，應記錄原始數(shù)據(jù)，即要記錄幾分幾秒幾，再換算到秒。（秒后的數(shù)據(jù)代表百分之幾秒）游標卡尺的精度為0.02mm，不作估讀，讀數(shù)末尾為偶數(shù)。千分尺擰緊時應旋轉棘輪，而不是套筒；千分尺讀數(shù)時，注意是否超過1mm。（小鋼珠直徑約為1mm）使用游標卡尺和千分尺前，要記錄它們的零讀數(shù)。毛細管法實驗實驗中吸取水和酒精的體積必須保持相同。在計時過程中，當液面下降至A處時，因管半徑變小而流速增大，應及時準確地撳下秒表。水與酒精兩根移液管不能搞錯。在取放移液管時，應小心輕放，用畢要放入指定的容器內，特別注意不能弄臟，以免污染整瓶液體而影響實驗。實驗的改進建議：本實驗時間比較充足，可再多測幾組數(shù)據(jù)。長試管上可事先標好一些標志線，這樣會比橡皮筋標志線更平直更準確。實驗可在封閉的室內進行，有利于保持恒溫。奧式黏度計最好密封保存，以免受到污染。由兩個實驗比較可得，落球法適用于測量黏度比較大的液體，因為實驗要求小球速度較小，由公式（9）可知黏度與速度成反比，所以要求黏度較大；而毛細管法適用于測量黏度較小的物體，因為液體流過毛細管的時間較長，黏度太大實驗時間會過長。實驗結果落球法測得蓖麻油的黏度為。毛細管法測得酒精的黏度為。附表1水的黏度溫度/℃黏度/×10-3Pa﹒s溫度/℃黏度/×10-3Pa﹒s溫度/℃黏度/×10-3Pa﹒s01.787111.271210.98711.728121.235220.95521.671131.202230.93231.618141.169240.91141.567151.139250.89051.519161.109260.87061.472171.081270.85171.428181.053280.83381.386191.027290.81591.346201.002300.798101.307注：如測出的溫度有小數(shù)部分，常用內插法進行處理，例如求12.4℃時水的黏度值，其方法為附表2酒精的密度溫度/℃密度/×103kg.m-3溫度/℃密度/×103kg.m-3溫度/℃密度/×103kg.m-300.80625140.79451280.7826710.80541150.79367290.7818220.80457160.79283300.7809730.80374170.79198310.7801240.80290180.79114320.7792750.80207190.79029330.7784160.80123200.78945340.7775670.80039210.78860350.7767180.79956220.78775360.7758590.79872230.7869137