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5落球法测量液体粘滞系数.doc

发布:2016-09-14约3.13千字共6页下载文档
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液体粘滞系数的测量(落球法) 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Stokes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。 【实验目的】 1. 观察液体的内摩擦现象,根据斯托克斯公式用落球法测量液体的粘滞系数2. 掌握使用方法 3. 了解雷诺数与斯托克斯公式的修正数 (1) 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。 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: (2) 它要求液体是无限广延的且无旋涡产生。 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: 式中:ρ为圆球密度,ρ0为液体密度,d为圆球直径,v0为圆球的收尾速度。 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。 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: 从而得到: 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)。 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。 怎样测量圆球下落的收尾速度V0? 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V0=L/t,由此实验公式可改写为: (K=2.4) 在实验过程中,测量的最关键点是什么? 由公式可知ρ0、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。 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。 【实验器材】 VM-1落球法粘滞系数测定仪、小钢球、甘油、玻璃量筒,卷尺、千分尺、游标卡尺、螺旋测微器、液体密度计、激光光电记时仪、温度计,镊子,天平。 【实验原理】 如图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、液体作用于小球的浮力(V为小球体积,为液体密度)和粘滞阻力F(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的情况下,有: (1) 上式称为斯托克斯公式,式中为液体的粘滞系数,单位是,为小球的半径。 斯托克斯定律成立的条件有以下5个方面: 1)媒质的不均一性与球体的大小相比是很小的; 2)球体仿佛是在一望无涯的媒质中下降; 3)球体是光滑且刚性的; 4)媒质不会在球面上滑过; 5) 球体运动很慢,故运动时所遇的阻力系由媒质的粘滞性所致,而不是因球体运动所推向前行的媒质的惯性所产生。 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。最后,三个力达到平衡,即: 于是小球开始作匀速直线运动,由上式可得: 令小球的直径为,并用,,代入上式得: (2) 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。 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。测量表达式为: (3) 其中为容器的内径,为液柱高度。 【实验步骤】 1. 调整粘滞系数测量装置及实验仪器 1) 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
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