液體粘滯系數(shù)的測量

1、液體粘滯系數(shù)的測試液體流動時，平行于流動方向的各層流體速度都不相同，即存在著相對滑動，于是在各層之間就有摩擦力產(chǎn)生，這一摩擦力稱為粘滯力，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)n稱為粘滯系數(shù)，它是表征液體粘滯性強弱的重要參數(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)學上常把血粘滯系數(shù)的大小做為人體血液健康的重要標志之一。又如，石油在封閉管道中長距離輸送時，其輸運特性與粘滯性密切相關(guān)，因而在設計管道前，必須測量被輸石油的粘滯系數(shù)。測量液體粘滯系數(shù)可用落球法，毛細管法，轉(zhuǎn)筒法等方法，其中落球法適用于測量粘滯系數(shù)較高的透明或半透明的液體，比如：蓖麻油、變

2、壓器油、甘油等。本實驗用落球法測量蓖麻油的粘滯系數(shù)?！绢A習思考題】1為何要對公式（4）進行修正？2如何判斷小球在液體中已處于勻速運動狀態(tài)？3影響測量準確度的因素有哪些？【實驗原理】以下闡述落球法測量液體粘滯系數(shù)的基本原理。處在液體中的小球受到鉛直方向的三個力的作用：小球的重力mg（m為小球質(zhì)量）、液體作用于小球的浮力PgV（V是小球體積，P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v較小情況下，有F-6兀耳rv（1）上式稱為斯托克斯公式，其中r是小球的半徑；"稱為液體的粘滯系數(shù)，其單位是Pas。小球在起初下落時，由于速度較小，受到的阻力也就

3、比較小，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2)mg=pgV+6兀耳v°r此時，小球?qū)⒁詖0作勻速直線運動，由（2）式可得：（m-Vp）g6兀v°r兀7l令小球的直徑為d，并用m二d3P'，v=60t2代入（3）式得耳=3)5n二（P'一P）gd21（4）18l其中P'為小球材料的密度，l為小球勻速下落的距離，t為小球下落l距離所用的時間。實驗過程中，待測液體放置在容器中，故無法滿足無限深廣的條件，實驗證明上式應進行如下修正方能符合實際情況：1(1+2.4芳)(1+1.6H)5)（P'-P）gd2118l其中D為容器內(nèi)

4、徑，H為液柱高度。當小球的密度較大，直徑不是太小，而液體的粘滯系數(shù)值又較小時，小球在液體中的平衡速度v會達到較大的值，奧西思-果爾斯公式反映出了液體運動狀態(tài)對0斯托克斯公式的影響：3196)7)F=6叩vr(1+Re-Re2+.)0161080其中，Re稱為雷諾數(shù)，是表征液體運動狀態(tài)的無量綱參數(shù)。Pdv0n當RevO.l時，可認為（1）、（5）式成立；當O.lvRevl時，應考慮（6）式中1級修正項的影響，當Re大于1時，還須考慮高次修正項?？紤]式中1級修正項的影響及玻璃管的影響后，粘滯系數(shù)11可表示為:(P'-P)gd218)n二二n11.8v(1+2.4d/D)(1+3Re/16)

5、1+3Re/160由于3Re/16是遠小于1的數(shù)，將1/（1+3Re/16）按幕級數(shù)展開后近似為1-3Re/16,8）式又可表示為：9)n二n-3vdp1160已知或測量得到P'、P、D、d、v等參數(shù)后，由（5）式計算粘滯系數(shù)n，再0由（7）式計算Re,若需計算的Re的1級修正，則由（9）式計算經(jīng)修正的粘滯系數(shù)n。1【實驗目的】1學習和掌握一種測量液體的粘滯系數(shù)的原理和方法。2學習激光光電門的校準方法。3用落球法測量蓖麻油的粘滯系數(shù)。實驗內(nèi)容】1測試架調(diào)整，使得測試儀能可靠測得小球在兩光電門之間的下落時間。2測量落球法測量液體粘滯系數(shù)相關(guān)物理參數(shù)?！緦嶒炂鞑摹緿H4606落球法液體粘滯

6、系數(shù)測定儀，鋼直尺，螺旋測微器，電子天平，游標卡尺，直徑約3mm的鋼球若干。【實驗步驟和操作】一、儀器組成DH4606落球法液體粘滯系數(shù)測定儀由兩部分組成。圖1為測試架結(jié)構(gòu)圖，圖2為測試儀面板圖。二、儀器調(diào)試、操作和測量方法1裝配傳感器：如圖1所示的測試架上端裝光電門I,下端裝光電門110圖1測試架結(jié)構(gòu)圖1.落球?qū)Ч?.發(fā)射端I3.發(fā)射端II4.量筒5.水平調(diào)節(jié)螺釘6.底盤7.支撐柱8.接收端II9.接收端I10.橫梁345II,且兩發(fā)射端裝在一側(cè)，兩接收端裝在另一側(cè)。2傳感器連線：將測試架上諧球法疲bh粘瀟系數(shù)測定儀DH4606HZHHlnNA華圖2測試儀面板啟動光電門I光電門n的兩光電門“

7、發(fā)射端I”、“發(fā)射端11”、“接收端I”和“接收端II”的連接線插頭分別對應插到圖2所示測試儀面板的“發(fā)射端I|”、“發(fā)射端II”、“接收端I”和“接收端II”上。3. 光電門的對準判斷：對準檢查無誤后，按下測試儀后面板上的電源開關(guān)，此時數(shù)碼管將循環(huán)顯示兩光電門的狀態(tài)：“L-1-0”表示光電門I處于沒對準狀態(tài)；“L-1-1”表示光電門I處于對準狀態(tài)；“L-2-0”表示光電門II處于沒對準狀態(tài)；“L-2-1”表示光電門II處于對準狀態(tài)。4調(diào)節(jié)測試架豎直，使得兩對光電門都對準從落球?qū)Ч茏杂上侣湫∏虻倪\動軌跡。該操作分以下五步進行：（1）將線錘裝在支撐橫梁中間部位，調(diào)整粘滯系數(shù)測定儀測試架上的三個水

8、平調(diào)節(jié)螺釘，使線錘對準底盤中心圓點；（2）將光電門按儀器使用說明上的方法連接。接通測試儀電源，此時可以看到兩光電門的發(fā)射端發(fā)出紅光線束。調(diào)節(jié)上下兩個光電門發(fā)射端，使兩激光束剛好照在線錘的線上；（3）收回線錘，將裝有測試液體的量筒放置于底盤上，并移動量筒使其處于底盤中央位置；（4）將落球?qū)Ч馨卜庞跈M梁中心，兩光電門接收端調(diào)整至正對發(fā)射光（可參照上述測試儀使用說明校準兩光電門）；（5）待液體靜止后，將小球用鑷子從導管中放入，觀察能否擋住兩光電門光束（擋住兩光束時會有時間值顯示），若不能，適當調(diào)整光電門的位置。5. 測量小球在兩光電門之間的下落時間：（1）當兩光電門都處于對準狀態(tài)時，按下測試儀前面板

9、上的“啟動鍵，此時數(shù)碼管將顯示“HHHHH”，表示啟動狀態(tài)；（2）待液體靜止后，將小球用鑷子從導管中放入；（3）當下落小球經(jīng)過上面的光電門（光電門I）而未經(jīng)過下面光電門（光電門I）將顯示“”，表示正在測量狀態(tài)；（4）若測量時間超過99.999s則顯示超量程狀態(tài)“88888”；當小球經(jīng)過光電門II后將顯示小球在兩光電門之間的下落時間；（5）對同一小球進行重復測量時，重新按下“啟動鍵后，小心用磁鋼在量筒外壁將鋼球吸住并慢慢沿量筒外壁拖出到邊緣時，用鑷子捏住鋼球放到紙巾上擦干（或用酒精清潔干凈），再用鑷子從導管中放入測量。依次類推，完成全部實驗測量。6. 若在實驗過程中，不慎碰到光電門，使光電門偏離

10、，將重新循環(huán)顯示兩光電門狀態(tài)，此時需重新校準光電門。三、測量內(nèi)容（記入表1）1用鋼直尺測量光電門I和II之間的距離和液柱高度。2. 用游標卡尺測量量筒內(nèi)徑。3. 用螺旋測微器測量9個小球的直徑各1次。4. 用電子天平測量這9個小球的質(zhì)量各1次。5. 用溫度計測量待測液體（或環(huán)境）溫度，測試前和測試后各測1次。6用測試儀測量這9個小球在兩光電門之間的下落時間各1次。7. 【選做】用密度計測量待測液體密度（如果未測，按蓖麻油出廠密度0.97X103kg/m3）。8. 全部實驗完畢后，用磁鋼將鋼球吸出，用鑷子捏住鋼球放到紙巾上擦干（或用酒精清潔干凈），以備下次實驗用?！緮?shù)據(jù)記錄及處理】測量次數(shù)i123456789平均值小球直徑d/mmi小球質(zhì)量m,/gi下落時間t./si發(fā)送器I、II距離li/mm接收器I、II距離l2/mm光電門（小球下落）距離平均值l/mm量杯直徑D/mm液柱高度H/mm液體密度P/kg/m3測量前液體溫度T0/°C測量后液體溫度T1/C液體溫度平均值T/C表1落球法測量液體粘滯系數(shù)數(shù)據(jù)記錄表小球材料：鋼（p=7.925Wkg/m3）液體材料：蓖麻油根據(jù)表1測量和中間計算結(jié)果，代入公式（5）,計算液體的粘滯系數(shù)1，并與圖3中該溫度T下的粘滯系數(shù)相比較計算相對誤差并進行誤