实验五 液体黏度实验

液体黏度实验《大学物理实验》实验五

目01|实验导入02|实验背景03|实验目的04|实验原理05|实验仪器录06|内容与步骤07|注意事项08|实验记录09|数据分析10|思考与探究液体黏度系数01实验导入新能源汽车进行寒地测试温度变化时，新能源汽车电池热管理系统中的冷却液以及传动系统的润滑油会发生显著的物理变化。当液体内各部分之间有相对运动时,各部分的接触面之间存在内摩擦力,会阻碍液体的相对运动,这种性质称为液体的黏滞性。黏度(黏滞系数)是液体内部摩擦力大小的量度。液体黏度系数测定方法测定液体黏度系数的重要性毛细管法旋转法落球法液体黏度的准确测量一直是流体力学实验研究的重要内容,也是研究流体运动规律的重要手段。作为表征流体动力学特性的关键参量,液体黏滞性的研究在流体力学、化学化工、医疗、水利等领域都有广泛的应用。例如,在用管道输送液体时,必须根据输送液体的流量、压力差、输送距离及液体黏度来设计输送管道的口径。艾萨克·牛顿

(IsaacNewton)英国物理学家从微观角度提出液体黏性相关的基础定律牛顿理论液体黏度理论背景02实验背景当液体内各部分之间有相对运动时,接触面之间存在内摩擦力,阻碍液体的相对运动,这种性质称为液体的黏滞性。黏度(黏滞系数)是液体内部摩擦力大小的量度。黏度的大小取决于液体的性质与温度。温度升高,黏度将迅速减小;而极低温则会使黏度迅速增大。液体黏度1851年乔治·加布里埃尔·斯托克斯(GeorgeGabrielStokes

)爱尔兰数学家、物理学家流体黏性相关的基础定律最早由艾萨克·牛顿(IsaacNewton)提出,而本实验所依赖的核心理论———描述球体在黏性流体中受阻力规律的斯托克斯定律,由著名数学家、物理学家乔治·加布里埃尔·斯托克斯(GeorgeGabrielStokes)于1851年提出。斯托克斯理论液体黏度理论背景02实验背景核心原理大量流体分子的无规则热运动是流体黏度的理论基础。斯托克斯公式是描述流体黏度的基本理论。基本规律小球在流体中下落时，受到与速度相关的粘滞阻力，速度越大，阻力越大，当小球做匀速运动时，受力平衡，由此即可求出黏滞系数。应用领域以广泛应用在流体力学、化学化工、医疗、水利等领域实验内容测定不同温度下液体的黏度系数，为后续相关学习奠定实验基础。实验方法基于经典的落球法,利用带有精准刻度线的玻璃样品管与多功能电子秒表精确测量小球的匀速下落时间。液体黏度实验目标03实验目的实验原理认知目标01了解自动控制系统中的PID温度调节原理，熟练掌握开放式PID温控仪的操作方法；掌握螺旋测微器和电子秒表的使用方法实验操作技能要求02利用斯托克斯公式和牛顿定律，根据测量的各种数据计算不同温度下液体黏度系数并做误差评估。实验数据处理任务03探究不同温度下液体的黏度系数。光电特性探究内容04学习落球法测定液体黏度的基本原理及其相关的流体力学方程黏度系数测定原理04实验原理实验原理图小球在液体中下落，受到重力、浮力和粘滞阻力分解牛顿定律分析小球的运动状态。小球受力分析：使用挖油勺将小球沿样品管中心缓慢放入液体中,观察其是否沿样品管轴线平稳下落。。选取样品管上两条刻度线之间的固定距离S作为测量区间。当小球经过起始刻度线时启动秒表,经过终止刻度线时停止计时,记录小球下落时间t。测量过程中应尽量避免振动及液体扰动,以减小实验误差。完成一个温度点测量后,再逐步提高设定温度,重复上述操作,直至完成全部温度点的数据采集。浮力F粘滞阻力f重力G液体黏滞系数测定的实验原理04实验原理小球在液体中加速下落时，受到重力和浮力，根据斯托克斯原理，小球表面的液体相对量筒中的液体下落，受到与速度有关的黏滞阻力，速度越大，黏滞阻力越大，具体分析如下所示。测量原理黏滞系数测定受力方程小球加速下落，速度增加，黏滞阻力随之增加，加速度减小，当小球受力平衡时，加速度为零，可得考虑到无限广延系统的修正，有：

式中,d为小球直径;ρ0为液体密度；ρ为小球密度；η为液体黏滞系数；v0为小球终极速度当小球受力平衡根据牛顿定律黏滞系数测定实验仪黏滞系数测定实验仪05实验仪器黏滞系数测定实验仪平台（图5-3、5-4）黏滞系数测定实验仪实物图和装置示意图如图5-3和5-4

所示。实验准备06内容与步骤当温控仪显示温度达到设定值并稳定后,使样品管内待测液体的温度与循环加热水温一致后再开始实验。选取适当的小球，进入开放式PID温控仪测量界面，设置目标温度0304确认水位处于上下限之间并盖好水箱盖，随后接通开放式PID温控仪与恒温水箱电源，预热约10分钟，使循环水温均匀稳定后开始实验检查实验装置水路、电路连接正常且排水口关闭后,向恒温水箱内加入纯净水或软水至水位上限，并通过排水口排出水泵前端空气，直至有连续水流流出后关闭排水开关。0102实验准备实验注意事项07注意事项02实验前必须确认恒温水箱水位位于上下限之间,严禁缺水状态下启动加热功能。04温控仪最高设定温度不得超过60℃,高温实验过程中请勿长时间接触恒温水箱、0

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49软管及玻璃样品管等高温部件,以防烫伤。06实验结束后,应待系统冷却后及时排空恒温水箱及循环管路中的积水,并保持设备干燥清洁。01实验装置采用AC220V交流供电,必须可靠接地,严禁在通电状态下接触线缆金属部分。03排除水泵前端空气是保证循环水正常流动的重要步骤,若发现水流异常或温度不稳定,应立即停止实验并检查水路。05小球应沿样品管中心缓慢释放,避免碰撞管壁或剧烈扰动液体,以减小实验误差。08实验记录表5

-1液体黏度的测定(d=1.0mm)液体黏度的测定实验数据分析09数据分析小球终极速度的计算根据测量距离D与小球平均下落时间t,计算小球在液体中的平衡速度v0,计算公式为1计算液体黏度2计算不同温度下液体的黏度3分析实验误差4①假定流体处于理想层流,用不含雷诺修正的式(5-4)算出一个初步的黏度值η;②将初步的黏度值η代入式(5-6),计算出雷诺数Re;③当Re<0.1时,直接根据式(5-4)计算黏度值η;当0.1<Re<1时,根据式(5-8)计算修正后的黏度值η1。计算不同温度下蓖麻油黏度的标准值见表5-3将实验测得的蓖麻油黏度与标准值进行比较,并计算相对误差,分析误差产生的原因。液体黏度的测定在实际中的应用10思考与探究一、雷诺数修正与斯托克斯定律的适用条件

本实验利用斯托克斯定律测量液体黏度,其理论前提是小球在液体中做低速层流运动,即雷诺数Re远小于1。当小球密度较大、直径较大或液体黏度较小时,小球在液体中的平衡速度会明显增大,液体流场将逐渐偏离理想层流状态,此时流体惯性效应已不可忽略,斯托克斯公式的理论条件不再严格成立。该现象说明,在流体力学研究与工程测量中,任何理论模型都具有特定适用范围,当系统偏离理想条件时,必须通过修正模型提高结果准确性。例如,在石油运输、血液流变学及微流控芯片设计中,流动状态的变化都会显著影响流阻与能量损耗,因此雷诺数始终是判断流体运动规律的重要无量纲参数。二、温度对液体黏度的微观影响机制

本实验的结果表明,蓖麻油的黏度η会随温度升高而显著减小。从分子热运动理论分析,液体黏滞性的本质来源于液体分子之间的相互吸引与动量交换。当温度升高时,液体分子的平均热运动速度增加,分子间结合能力减弱,层流之间的内摩擦阻力随之减小,因此