式称为斯托克斯公式,其中 是液体的黏度,d是小球的直径,v是小球在流体中运动时相对于流体的速度。
当小球开始下落时,速度较小,所受到的黏滞阻力也较小,这时小球的重力大于浮力和黏滞阻力之和,小球做加速运动;随着小球速度的增加,小球所受到的黏滞阻力也随着增加,当小球的速度达到一定的数值 (称收尾速度)时,三个力达到平衡,小球所受合力为零,小球开始匀速下落,此时
式中m、V分别表示小球的质量和体积, 表示液体的密度。如用 表示小球的密度,则小球的体积V为
小球的质量m为
代入式(3)并整理得 )
本实验中,小球在直径为D的玻璃管中下落,液体在各方向无限广阔的条件不满足,此时黏滞阻力的表达式可加修正系数(1+2.4d/D)[2],而式(4)可修正为:
1.1.3 实验内容
按照使用规则组装并调试物理天平
用物理天平称衡50个~100个小球的质量m取平均值;选十个小球用螺旋测微器分别测其直径d,然后去平均值;用游标卡尺测量圆筒的内径D,测量5次取平均值。
调节测试仪底座上的底角螺丝,利用底座上的水平仪将底座调水平。
因温度对液体的粘滞系数影响非常大,所以实验前、后需要分别测量一次温度值;用比重计测量液体的密度 ,测量5次取平均值。
使小球从量筒中间下落,在小球经过上方红线时按下秒表,在小球经过下方红线时再次按下秒表,记录小球经过两道红线的时间。重复多次测量,取下落时间平均值,测量两红线之间的距离,求出小球收尾速度,带入(5)式求出液体粘滞系数。
1.2 “落球法液体粘滞系数测定仪”实验研究目的和意义
用落球法测量液体粘滞系数是理工科大学的基础物理实验,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。因此测定液体粘滞系数有着重大意义。
本文的主要目的在于:
(1)提高“落球法液体粘滞系数测定仪”的测量精度;
(2)更为直观的观测到小球下落速度的变化情况;
(3)为“落球法液体粘滞系数测定仪”的优化设计提供一些参考思路。
本论文的意义在于:
(1)为了提高“落球法液体粘滞系数测定仪”的测量精度,对此实验进行改进,通过对实验改进前后的试验误差进行分析,来确定改进后的实验装置是否提高提高了“落球法液体粘滞系数测定仪”实验的测量精度,从而,得到一套新的精度更高的“落球法液体粘滞系数测定仪”实验装置。
(2)通过对小球下落过程的录像分析,从而代替秒表计时测得小球收尾速度,提高试验精度,更为直观的观测到小球下落速度的变化情况。
(3)通过在“落球法液体粘滞系数测定仪”实验改进过程中,提出一些关于“落球法液体粘滞系数测定仪”实验改进的的思路和方法,从而,为以后“落球法液体粘滞系数测定仪”实验的改进提供一些建议。
1.3 “落球法液体粘滞系数测定仪”实验研究的现状及趋势
1993年,麻福厚的双球升降法调节简便,测量前经准确地调节,总可保证小球沿液柱的中心轴线运动。就测量方法而言,“双球升降发”属比较法。液体的粘滞阻力与砝码的重力进行比较,从而提高了测量的准确度。通过悬丝将速度信息由液内提取到液外进行观测。对此,只要在悬丝的适当位置作一标记即可实现。这有助于测量不透明或透明度低的液体并减少了视察。它也为实现光控测速提供了方便[3]。
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