落球法测定液体的粘滞系数.doc

落球法测定液体的粘滞系数 1 目录目录 实验目的实验目的 2 2 实验仪器实验仪器 2 2 实验原理实验原理 2 2 实验装置实验装置 4 4 实验内容实验内容 5 5 实验数据及处理实验数据及处理 5 5 观察与思考观察与思考 1212 实验总结实验总结 1313 落球法测定液体的粘滞系数 2 落球法测定液体的粘滞系数落球法测定液体的粘滞系数 实验目的实验目的 1 用落球法测定液体的粘滞系数 2 进一步熟悉基本测量工具的使用 实验仪器实验仪器 FD VM II 型 落球法液体粘滞系数测定仪 激光光电传感器计时 甘油 游标卡尺 温度计 小刚球 小磁钢 螺旋测微器 液体密度计 实验原理实验原理 各种实际流体在流动时 平行于流动方向的内部各层速度是不同的 于是作相对 运动的各层流体间存在着粘滞性摩擦阻力 简称内摩擦力 牛顿给出了表征内摩 擦力 f 的定律 即 f 的大小正比于流层移动的速度梯度和流层 dx d Af 间的接触面积 比例系数叫做粘滞系数 它是表征流体相邻流层内摩擦力大 小的一个物理量 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 称为粘度 它是表征液体粘滞性强弱的重要参数 液体的粘 滞性的测量是非常重要的 例如 现代医学发现 许多心血管疾病都与血液粘 度的变化有关 血液粘度的增大会使流入人体器官和组织的血流量减少 血液 流速减缓 使人体处于供血和供氧不足的状态 这可能引起多种心脑血管疾病 和其他许多身体不适症状 因此 测量血粘度的大小是检查人体血液健康的重 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 测量液体粘度有多种方法 本实验所采用的落球法是一种绝对法测量液体 的粘度 如果一小球在粘滞液体中铅直下落 由于附着于球面的液层与周围其 他液层之间存在着相对运动 因此小球受到粘滞阻力 它的大小与小球下落的 落球法测定液体的粘滞系数 3 速度有关 当小球作匀速运动时 测出小球下落的速度 就可以计算出液体的 粘度 物体的粘滞系数值因温度不同而变化很大 因而没有注明温度的任何流体的 粘滞系数值是毫无意义的 半径为 r 的光滑球 以速度v 在均匀的无限宽广的液体中下落时 若速 度不大 球的半径也很小 在液体中不产生涡流时 斯托克斯指出 小球在液体 中受到阻力为 必须指出 这阻力并非是球和液体之间的阻力 rf6 而是球面上附着一层液体和不随球运动的液体之间的阻力 亦即流体的内摩擦力 或粘滞阻力 方向与小球运动方向相反 设小球的密度为 体积为V 则小球在密度为的液体中下落时 除 0 受到粘滞性阻力作用外 还受到重力和浮力 起初 由于小球下Vg Vg 0 落速度较小 粘滞阻力f 也较小 随着小球速度的增加 f 也增加 当小 球到达某个收尾速度时 它将作等速直线运动 即作用在小球上的三个力平衡 1 rVgVg6 0 小球的直径用d 表示 体积 若实验测得小球作匀速直线运动 3 6 1 dV 的某段距离及相应的下落时间t 则得 l 2 l tgd 18 2 0 斯托克斯定律要求小球是在无限宽广的液体中下落 但实际容器的直径和 深度总是有限的 所以所得小球的速度比在无限宽广中要小 故实测的速度要乘 以一个修正因子 才能得到粘滞系数的正确值 对于圆柱形管 修正因子为 其中 D 为管子的内直径 于是 落球法求液体粘滞系数的计算公式为 D d 1 21 3 1 21 18 2 0 D d l tgd 由修正因子可见 对于同样大小的小球 园管的直径D 越大 修正因 落球法测定液体的粘滞系数 4 子越小 对同一圆管 小球直径越大 修正因子越大 所以实验要求 小球直径很小 实验中必须尽量做到小球沿圆管的中央轴线下落 减少和消除管壁效应不 均匀性对结果的影响 实验装置实验装置 1 2 3 4 5 6 激光信号控制 FD VM II落球法液体粘滞系数测定仪 激光信号指示 复位 7 8 9 10 11 12 13 1 导管 2 激光发射器A 3 激光发射器B 4 激光接收器A 5 激光接收器B 6 量筒 7 主机后面板 8 电源插座 9 激光信号控制 10 主机前面板 11 计时器 12 电源开关 13 计时器复位端 图2 FD VM II 落球法液体粘滞系数测定仪结构图 落球法粘滞系数测定仪 小钢球 甘油 米尺 千分尺 游标卡尺 液体密 度计 电子分析天平 激光光电计时仪 温度计等 实验内容实验内容 1 调整粘滞系数测定仪及实验准备 调整底盘水平 在仪器横梁中间部位放重锤部件 调节底盘旋钮 使重锤 对准底盘的中心圆点 将实验架上的上 下两个激光器接通电源 可看见其发出红光 调节上 下两个激光器 使其红色激光束平行地对准锤线 落球法测定液体的粘滞系数 5 收回重锤部件 将盛有被测液体的量筒放置到实验架底盘中央 并在实验 中保持位置不变 在实验架上放上铜球导管 将小球放入铜质球导管 看其是否能阻挡光线 若不能 则适当调整激光器位置 2 用温度计测量液体温度 在全部小球下落完后 再测量一次液体的温度 取 平均值作为实际液体温度 3 用电子计时仪器测量小球的匀速运动速度 测量上 下二个激光束之间的距离 用电子计时仪器测量小球通过两个激光束的时间 实验数据及处理实验数据及处理 分析天平测小球质量数据如下 第一组第一组 左盘 1 2 3 1 2 10 65 0 10 7167 1 9 6667 2 右盘 1 2 3 1 2 10 1833 0 9 8333 1 10 1 2 M 砝码位置砝码质量 mg 停点分度值及称衡结果 0 0 1 1 右盘 2 2 S 2 1 2 1 S 1 0 1 0 0 1 1 左盘 2 2 S 2 1 2 1 S 1 0 1 落球法测定液体的粘滞系数 6 第二组 第二组 砝码位置砝码质量 mg 停点分度值及称衡结果 0 35 1 右盘 2 S 2 1 2 1 S 1 0 1 0 1 左盘 35 S 2 1 2 1 S 1 0 1 右盘 1 2 3 1 2 左盘 1 2 3 1 2 10 96667 10 31033 10 69137 M 第三组 第三组 砝码位置砝码质量 mg 停点分度值及称衡结果 0 1 右盘 2 S 2 1 2 1 S 1 0 1 落球法测定液体的粘滞系数 7 0 1 左盘 S 2 1 2 1 S 1 0 1 右盘 1 2 3 1 2 左盘 1 2 3 1 2 10 71667 M 第四组 第四组 砝码位置砝码质量 mg 停点分度值及称衡结果 0 1 右盘 2 S 2 1 2 1 S 1 0 1 0 1 左盘 S 2 1 2 1 S 1 0 1 右盘 1 2 3 1 2 落球法测定液体的粘滞系数 8 左盘 1 2 3 1 2 M 第五组 第五组 砝码位置砝码质量 mg 停点分度值及称衡结果 0 1 右盘 2 S 2 1 2 1 S 1 0 1 0 1 左盘 S 2 1 2 1 S 1 0 1 右盘 1 2 3 1 2 左盘 1 2 3 1 2 9 落球法测定液体的粘滞系数 9 M 第六组 第六组 砝码位置砝码质量 mg 停点分度值及称衡结果 0 1 右盘 2 S 2 1 2 1 S 1 0 1 0 1 左盘 S 2 1 2 1 S 1 0 1 右盘 1 2 3 1 2 左盘 1 2 3 1 2 9 M 小球质量平均值 小球质量平均值 落球法测定液体的粘滞系数 10 标准偏差标准偏差 1 n 6 1i 2 i nn S 16 6 1i 2 mmi 小球质量小球质量 m 小球直径 初0 0220 0230 0220 0220 0210 023 末 实际直径 平均值为 平均值为 标准偏差标准偏差 1 n 6 1i 2 i nn S 16 6 1 2 i i dd 小球直径小球直径 d d 量筒内径 cm 初0 040 060 020 060 040 02 末 实际内径 平均值为 平均值为 标准偏差标准偏差 1 n 6 1i 2 i nn S 16 6 1 2 i i DD 量筒内径量筒内径 D 判断小球下落过程中做匀速直线运动判断小球下落过程中做匀速直线运动 小球半径 mmd半程时间 s 1 t全程时间 s 2 t半程速度 1 v 1 scm 全程速度 2 v 1 scm 半程速度平均值半程速度平均值 1 v 落球法测定液体的粘滞系数 11 标准偏差标准偏差 半程速度半程速度 1 n 6 1i 2 i nn S 16 6 1 2 11 i i vv 1 v 全程速度平均值全程速度平均值 2 v 标准偏差标准偏差 1 n 6 1i 2 i nn S 16 6 1 2 12 i i vv 全程速度全程速度 2 v 即半程速度与全程速度近似相等 即半程速度与全程速度近似相等 21 vv 我们可认为小球在下落过程中做匀速直线运动 我们可认为小球在下落过程中做匀速直线运动 实验前甘油温度 实验后甘油温度 取油温为 小球密度 kg m 甘 3 油密度 1 26331 kg m两激光器之间的距离 cm 0 3 10 3 l t 1 2 3 4 5 6 1 21 18 2 0 D d l tgd 6 654321 粘滞系数平均值粘滞系数平均值 标准偏差标准偏差 带入数据得标 带入数据得标 1 n 6 1i 2 i nn S 1 n 6 1i 2 i 准偏差准偏差 所以粘滞系数所以粘滞系数 S 落球法测定液体的粘滞系数 12 观察与思考观察与思考 1 如何判断小球在作匀速运动 测量小球下落过程中不同段的路程和以及对应的时间和 由求 出这两段路程的平均速度 比较这两个速度看是否相等 如果大致 相等的 由此可以判断小球在做匀速运动 2 如果上激光器过于接近液体的上表面 则会产生误差 这种误差 属于系统误差还是偶然误差 会使测得的液体粘度偏大还是偏小 该误差属于系统误差 上激光器过于接近液体的上表面 小球 在初始这段距离里还处于加速阶段 而粘滞系数公式是根据小球做 匀速运动受力平衡计算出来的 这个误差是由于与理论分析不符所 造成的 因此属于系统误差 显然 加速阶段的速度小于匀速运动 时的速度 从而使得时间t 变大 由公式可知 t 大则变大 3 小球是否可沿内壁下落 为什么 因为器壁对液体的挤压使得液体的粘滞阻力更大 而越远离瓶 中心越靠近器壁 这种效果越明显 从而使粘滞力越大 测得的粘 滞系数随之增大 4 小球不在瓶中心下落 会产生什么情况 测出的粘滞系数变大 因为器壁对液体的挤压使得液体的粘滞 阻力更大 而越远离瓶中心越靠近器壁 这种效果越明显 从而使 粘滞力越大 测得的粘滞系数随之增大 实验总结实验总结 通过实验意识到科学研究一定要有严谨 实事求是的态度 认真对待 冷静分析出现的结果 认真分析数据 思考实