用落球法测液体的粘滞系数
在工业生产和科学研究中(如流体的传输、液压传动、机器润滑、船舶制造、化学原料及医学等方面)常常需要知道液体的粘滞系数。测定液体粘滞系数的方法有多种,落球法(也称斯托克斯法)是最基本的一种。它是利用液体对固体的摩擦阻力来确定粘滞系数的,可用来测量粘滞系数较大的液体。
一、 教学目的
1( 观察液体中的内摩擦现象。
2( 掌握用落球法测粘滞系数的原理和方法。
3( 测定甘油的粘滞系数。
二、 教学要求
1( 课前写出初步
性
。
2( 课堂三个小时完成本实验。
3( 掌握测定液体粘滞系数的一种方法。
4( 进一步熟悉并掌握某些测量器具的用法(如游标卡尺、螺旋测微计、秒
等)。
5( 求出当天环境下甘油的粘滞系数。
6( 课后正确合理的分析误差,算出其测量不确定度并给出测量结果,写出合格的实验报告。
三、 教学重点
1( 斯托克斯定律适应的条件。
2( 实验室测量对斯托克斯定律的修正。
3( 测量小球下落的时间时必须保证小球是匀速下落。
四、 讲解内容(问
与解答)
1( 如何定义粘滞力(内摩擦力),粘滞系数取决于什么,
当液体稳定流动时,流速不同的各流层之间所产生的层面切线方向的作用力即为粘滞力(或称内摩擦力)。其大小与流层的面积成正比,与速度的梯度成正比,即:
dvF,,S, ,dx
式中比例系数η即为该液体的粘滞系数。
粘滞系数决定于液体的性质和温度。
2( 实验依据的主要定律是什么,它需要什么条件,
主要依据斯托克斯定律,即半径为r的圆球,以速度v在粘滞系数为η的液体中运动时,圆球所受液体的粘滞阻力大小为:
F,6,,rv
它要求液体是无限广延的且无旋涡产生。
3( 实验的简要原理是什么,
圆球在液体中下落时,受到重力、浮力和粘滞阻力的作用,由斯托克斯定律知粘滞阻力与圆球的下落速度成正比,当粘滞阻力与液体的浮力之和等于重力时,圆球所受合外力为零,圆球此后将以收尾速度匀速下落。由此得到:
2dg,,,,,0 ,,18V0
式中:ρ为圆球密度,ρ为液体密度,d为圆球直径,v为圆球的收尾速度。 00
4( 是否可用上式展开实验,为什么,
显然不能利用上式进行实验。因为实验中无法满足公式中液体为无限广延的条件。
5( 如何利用斯托克斯定律进行实验测量,
实验中,圆球是在半径为R的圆筒内运动,如果只考虑筒壁对圆球运动的影响,则应将斯托克斯定律修正为:
r,, ,,F,6rv1,K,,0R,,
2,dg,,,,0, 从而得到: ,d,,18v1,K,,0D,,
此式即为落球法测粘滞系数的实验公式。式中:D为圆筒直径,K为修正系数通常取2.4(也有取2.1)。
6( 用实验公式进行测量有哪些要求,
首先测量用圆筒应尽量的粗一些、长一些,尽量使圆球沿圆筒的中心轴线下落;其次,为了不产生旋涡,圆球的收尾速度不能太大;因此,圆球的直径应该小些。
7( 怎样测量圆球下落的收尾速度V, 0
因为圆球最后是以匀速下落,所以可在圆筒外做两个标记线A、B,其间距L可用直尺测出,当用秒表测出圆球经过L的时间t后,就有V=L/t,由此实验公式可改写为: 0
2,dtg,,,,0, (K=2.4) ,d,,18L1,K,,D,,
8( 在实验过程中,测量的最关键点是什么,
由公式可知ρ、d、L、D均为静态测量,这些量中最关键的则是圆球直径的测量。 0
t的测量为动态测量,其关键点在于圆球下落经过上标记线A以后,必须是匀速运动。若不是,则需将A线下移。
五、 思考题
1.试分析影响实验结果的主要原因是什么,
2.为了减小误差,应对实验中哪些量的测量方法进行改进,
特别提示:注意各测量器具的分度值及测量数据的有效数字位数