实验四实验四 落球法测液体的黏性系数落球法测液体的黏性系数 Experiment 4 Determining coefficient of viscosity using falling-ball method一、实验目的一、实验目的 1、观察液体中的内摩擦现象、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、掌握用落球法测粘滞系数的原理和方法 难点：难点：激光光电计时仪的使用激光光电计时仪的使用 重点：重点：斯托克斯定律适应的条件斯托克斯定律适应的条件 二、实验原理二、实验原理 当流体（液体和气体）在管道中流动时，管道当流体（液体和气体）在管道中流动时，管道中心处流速最大，越靠近管壁流速越小，说明在各中心处流速最大，越靠近管壁流速越小，说明在各流层间有内摩擦力（也称为粘滞力）存在，流体的流层间有内摩擦力（也称为粘滞力）存在，流体的这种性质称为粘滞性。粘滞系数是反映流体内部内这种性质称为粘滞性。粘滞系数是反映流体内部内摩擦力大小的物理量，是流体的重要性质之一。摩擦力大小的物理量，是流体的重要性质之一。 对于液体，粘滞系数与液体的性质，温度和流速对于液体，粘滞系数与液体的性质，温度和流速有关。液体粘滞系数的测量在工程技术上有广泛的应有关。液体粘滞系数的测量在工程技术上有广泛的应用。如：用。如：机械的润滑，石油在管道中的输送，油脂涂机械的润滑，石油在管道中的输送，油脂涂料，医疗和药物等方面，都需测定粘滞系数。料，医疗和药物等方面，都需测定粘滞系数。 测量液体粘滞系数的方法有多种，如测量液体粘滞系数的方法有多种，如落球法、转落球法、转筒法、毛细管法筒法、毛细管法等，其中落球法是最基本的一种，它等，其中落球法是最基本的一种，它可用于测量粘度较大的透明或半透明液体，如蓖麻油、可用于测量粘度较大的透明或半透明液体，如蓖麻油、变压器油、甘油等。变压器油、甘油等。 二、实验原理二、实验原理 当金属小球在粘性液体中下落时当金属小球在粘性液体中下落时受受到到三三个个铅铅直直方方向向的的力力v vmgmg小球的重力小球的重力mgmg液体作用于小球的浮力液体作用于小球的浮力f f粘滞阻力粘滞阻力F F（其方向与小球运动方向相反）。（其方向与小球运动方向相反）。f f F F二、实验原理二、实验原理 如果液体无限深广，在小球下落速度较小的情况如果液体无限深广，在小球下落速度较小的情况下，有：下，有： 上式称为斯托克斯公式，式中，上式称为斯托克斯公式，式中，为液体的粘滞系数，为液体的粘滞系数，单位是单位是PaS，r为小球的半径。为小球的半径。 （1 1） 二、实验原理二、实验原理 小球开始下落时，由于速度尚小，所以阻力不大，小球开始下落时，由于速度尚小，所以阻力不大，但是随着下落速度的增大，阻力也随之增大。但是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：最后，三个力达到平衡，即： (2)于是小球开始作匀速直线运动于是小球开始作匀速直线运动 二、实验原理二、实验原理 由（由（2）式可得：）式可得：令小球的直径为令小球的直径为d，可得：，可得： （3）（4） 式中，式中，为小球材料的密度，为小球材料的密度，L为小球匀速下落的为小球匀速下落的距离，距离，t为小球下落距离为小球下落距离L所用的时间。所用的时间。 二、实验原理二、实验原理 实验时，待测液体盛于容器中，故不能满足无实验时，待测液体盛于容器中，故不能满足无限深广的条件，实验证明上式应该进行修正。限深广的条件，实验证明上式应该进行修正。 测量表达式为：测量表达式为：式中式中D为容器的内径。为容器的内径。三、实验仪器三、实验仪器FD-VM-2 落球法粘滞系数测定仪落球法粘滞系数测定仪 激光发射器激光发射器激光发射器激光发射器激光接收器激光接收器激光接收器激光接收器蓖麻油蓖麻油 激光光电计激光光电计时仪时仪 四、实验内容四、实验内容1、用千分尺测量小球的直径，共测5个球，每个球从不同的方向测量3次四、实验内容四、实验内容2、调整粘滞系数测量装置及实验仪器 (1)(1)调整底盘水平，在仪器横梁中间部位放重锤调整底盘水平，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。部件，调节底盘旋钮，使重锤对准底盘的中心圆点。调整底盘水调整底盘水平平四、实验内容四、实验内容 (2)(2)将实验架上的两激光器接通电源，并进行调节，将实验架上的两激光器接通电源，并进行调节，使其红色激光束平行对准锤线。使其红色激光束平行对准锤线。 调整调整激光器激光器四、实验内容四、实验内容 (3)(3)收回重锤部件，将盛有待测液体的量筒放置到收回重锤部件，将盛有待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。实验架底盘中央，并在实验中保持位置不变。 调整调整量筒量筒四、实验内容四、实验内容 3、将小球从支架导管中自由下落，用电子秒表记录小球经过20.00cm高度所用的时间，一共5个球。 小球下落小球下落四、实验内容四、实验内容 4、启动激光计时器，将小球放入钢球导管，当小球落下，阻挡上面的红色激光束，激光计时器开始记时，到小球落到阻挡下面的红色激光束时，停止记时，读出下落时间。小球下落小球下落四、实验内容四、实验内容 5、用温度计测量油温，在全部小球下落完后再测一次油温，取其平均值。 测量油温测量油温四、实验内容四、实验内容数据记录表格数据记录表格 钢球密度钢球密度 = 蓖麻油密度蓖麻油密度 s= 小钢球下落距离小钢球下落距离L= 容器内半径容器内半径R= 荆州本地重力加速度荆州本地重力加速度g= 测量过程前后的平均室温测量过程前后的平均室温t=测量次数测量次数1 12 23 34 45 56 6平均值平均值小钢球直径（小钢球直径（mmmm）电子秒表记录时间电子秒表记录时间（s s）记时器记录的时间记时器记录的时间（s s）粘滞系数粘滞系数五、实验注意事项五、实验注意事项1 1、在测量当中不要移动容器和激光发射、接收装置的位置。、在测量当中不要移动容器和激光发射、接收装置的位置。2 2、测量中不能将落入蓖麻油中的小钢球随时取出，需等实验、测量中不能将落入蓖麻油中的小钢球随时取出，需等实验完完 毕用磁铁一次性取出，且过程中需将小钢球表面清理干毕用磁铁一次性取出，且过程中需将小钢球表面清理干净再将其落入钢球导管。净再将其落入钢球导管。3 3、游标卡尺和千分尺在使用时，应先读出其零点修正值。、游标卡尺和千分尺在使用时，应先读出其零点修正值。4 4、释放小球时要尽量接近油面。、释放小球时要尽量接近油面。5 5、小球尽量沿油柱的中轴线下落。、小球尽量沿油柱的中轴线下落。6 6、测量时间时，眼睛应正视、测量时间时，眼睛应正视S S和和S S/ /两条线，当小球的中心位两条线，当小球的中心位于于S S线时开始记时，当小球的中心位于线时开始记时，当小球的中心位于S/线时记时结束。线时记时结束。六、思考题六、思考题1 1、如何判断小球在作匀速运动、如何判断小球在作匀速运动? ?2 2、在特定的液体中，当小球的半径减小时，它的收、在特定的液体中，当小球的半径减小时，它的收 尾速度如何变化？当小球的密度增大时，又将如何变尾速度如何变化？当小球的密度增大时，又将如何变化？选择不同密度和不同半径的小球做实验时，对结化？选择不同密度和不同半径的小球做实验时，对结果的影响如何？果的影响如何？3 3、造成误差得主要因素是什么，如何改进。、造成误差得主要因素是什么，如何改进。