落球法测量液体粘滞系数.doc

实验八落球法测量液体粘滞系数
概述
当液体流动时，平行于流动方向的各层流体速度都不相同，即存在着相对滑动，于是在各层之间就有摩擦力产生，这一摩擦力称为粘滞力，它的方向平行于两层液体的接触面，其大小与速度梯度及接触面积成正比，比例系数η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。
各种实际液体具有不同程度的粘滞性。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。
一、实验目的
1、用落球法测液体的粘滞系数；
2、研究液体粘滞系数对温度的依赖关系。
二、仪器装置
1、THQNZ-1型液体粘滞系数测量实验仪；2、小钢球；3、蓖麻油(自备)；4、钢卷尺；5、千分尺；6、游标卡尺；7、温度计。
液体粘滞系数实验仪如图1所示。
三、实验原理
1、当金属小球在粘性液体中下落时，它受到三个铅直方向的力：小球的重力mg（m为小球质量）；液体作用于小球的浮力（是小球体积，是液体密度）和粘滞阻力（其方向与小球运动方向相反）、如果液体无限深广，在小球下落速度较小情况下，有
（1）
上式称为斯托克斯公式，其中是小球的半径；称为液体的粘度，其单位是。
小球开始下落时，由于速度尚小，所以阻力也不大；但随着下落速度的增大，阻力也随之增大、最后，三个力达到平衡，即

图1液体粘滞系数实验仪
于是，小球作匀速直线运动，由上式可得：

令小球的直径为，并用，，代入上式得

（2）

图2
其中为小球材料的密度，为小球匀速下落的距离，为小球下落距离所用的时间。
2、实验时，待测液体必须盛于容器中（如图2所示），故不能满足无限深广的条件，实验证明，若小球沿筒的中心轴线下降，式（2）须做如下改动方能符合实际情况：
（3）
其中为容器内径，为液柱高度。
3、实验时小球下落速度若较大，例如气温及油温较高，钢珠从油中下落时，可能出现湍流情况,使公式（1）不再成立，此时要作另一个修正(详见附录)。
四、实验内容
1、调整粘滞系数测定仪及实验准备
1）调整底盘水平调节底盘旋纽，使底盘基本水平；
2）将实验装置上的上、下两个激光器接通电源，连接方法如图3所示，并可看见其发出红光；
3）将盛有被测液体的量筒放置到实验装置底盘中央，并在实验中保持位置不变、在仪器横梁中间部位放置重锤部件，调节上、下两个激光器；
4）在实验装置上放置导球管、小球用乙醚；酒精混合液清洗干净，并用滤纸吸干残液，备用；
5）将小球放入导球管，下落过程中，观察其是否能阻挡光线并计数，若不能，重复步骤3；
2、用温度计测量油温，在全部小球下落完后再测量一次油温，取平均值作为实际油温；

图3实验装置图
3、用天平测量10—20颗小钢球的质量，用千分尺测其体积，计算小钢球的密度、用游标卡尺测量筒的内径，用米尺测量油柱深度；
4、下落小球匀速运动速度的测量
1）用千分尺测量小球直径；
2）插接好光电接收器插头，使激光器红色激光束正好射在光电接收器的接收小孔中，并依次遮光检查其工作状况，使其能准确计时；
3）按功能键选择适当的量程，按复位键清零、将小球放入导球管，当小球落下，阻挡上面的红色激光束时，光线受阻，此时手动按计时器的启动开关开始计时，到小球下落到阻挡下面的红色激光束时，再次按下计时器的启动开关计时停止，读出下落时间，重复测量6次以上，求平均值；
4）测量上、下两个激光器之间的距离,将米尺置于上、下二个激光束之间，测出上、下二个激光束之间的距离；
5)计算下落小球匀速运动速度；
5、计算蓖麻油的粘度；
6、计算出蓖麻油粘度的不确定度，写出计算结果的正确表达式。
五、使用注意事项
1、小钢珠直径可用读数显微镜读出，也可以用千分尺测量，但千分尺必须正确使用，防止将钢珠压扁，而引起误差；
2、测量液体温度时，须用精确度较高的温度计；
3、激光束不能直射人的眼睛，以免损伤眼睛；
4、小球取出后,须用卫生纸搽干待用；
5、实验时应保持小球导管的干净,以免粘住小球难以下落。
六、实验数据表
小球
半径d/mm时间

t/s全程距离S/cm全程速度

v/量筒
内径
D/mm油柱深度

/cm