(原创)液体粘滞系数的测定实验的应用——球体密度测量仪.docVIP

液体粘滞系数的测定实验的应用——球体密度测量仪 摘要：在稳定流动的液体中，由于各层液体的流速不同，互相接触的两层液体之间就有力的作用，两相邻液层间的这一作用力称为摩擦力或粘滞力。液体的粘滞系数η取决于液体的性质和温度。在用落球法测量液体粘滞系数中，假若控制温度等条件，选取某种液体测出其η并以此为标准液，便可反之计算出小球的密度。 关键词：球体密度测量仪、斯托克斯公式、液体的粘滞系数 引言：在测球体密度ρ时，一般都根据公式ρ=m/v,质量m一般用天平称出，可是根据“固体密度的测定”实验可知，一般的天平测量质量时存在较大的误差。体积v需先用游标卡尺先测得球体的直径d，然后代球体体积公式计算。其中球体形状不一定规则，在测量直径时，存在误差；在带公式计算时兀的小数点选取不同又会造成误差。为了是这些误尽可能少的出现，我们不妨只测定小球的直径，同时在标准液粘滞系数η确定的情况下，在通过测时间t，便可以换算出小球的密度。 仪器原理 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。 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，，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： 其中为容器的内径。经过换算后得： 仪器的构造简图 A：玻璃柱管，里面盛标准液 B：水浴加热器，它主要用来控制标准液的温度，使得在实验过程中温度基本保持不变 B1：温度显示器，它与B相连接，可以调节控制B中水的温度以控制标准液的温度 C：激光光电计时仪，它发出的激光为平面状以便时小球落下是容易阻碍激光 C1：时间显示器，它与B相连接，当小球通过上方激光时开始计时，通过下方激光时停止计时，要求具有高灵敏度 G：带测球体支撑台，把待测球放入液体中时，可以先放到这里，要求尽可能的接近液面 注：为方便测量，仪器设备中上下两束激光之间的距离l,液柱的高度H,容器的内径D等相关数据可以事先确定。 三、仪器的使用 1、选择标准球体。这里所谓的标准球主要是为下一步测标准液的黏滞系数做准备。理论依据：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)球体在无限深广的媒质中下降；(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。所以对所选的标准球体r不能太小，不能太大。选出多个标准球体，每个都需对其质量、直径进行多次测量，求均值，以减小误差，更准确的确定出标准液的黏滞系数。 2、选择标准液。利用落球法黏滞系数测定仪、激光光电计时仪对多种待测液体的黏滞系数进行测量。测量过程中，设温度为变量，分别根据公式求出并记下各种液体不同温度下的黏滞系数。最终以液体性质稳定，密度不因长时间保存而发生明显变化，黏滞系数随温度变化明显为依据，确定一种液体作为标准液。以后测量球体密度可以标准液为参考标准。 3、测量数据并换算出待测球体的密度。（1）调整黏滞装置及实验仪器，使得装置底部保持水平，确保小球下落过程中能通过两激光器发出的激光。（2）控制标准液的温度，打开水浴加热器开关，调节温度显示屏上的温度，让标准液达到某一固定温度（比室温稍高，避免待测球体在下落过程中标准液的温度有明显变化）。（3）测量小球的直径，采用多次测量求平均值法以减小误差。（4）把待测球体放在钢球台上，当球体经过并阻挡上方激光束时，激光仪自动开始计时，，当球体经过并阻挡下方激光时，激光仪停止计时，记下时间求均值。实验过程中，标准液应该无气泡，待测球体要彻底清掉油垢，且使用前应该保持干燥。调节钢球台位置，使之尽可能靠近液面。 四、仪器设备的可行性 根据实验原理，仪器设备经过相关的准确调试后，在据溶液密度，上下两束激光之间的距离l,小球的直径d，液柱的高度H,容器的内径D等相关数据就可以换算出小球体的密度。在大学试验中就有“液体黏滞系数的测定”实验，完全证明了该设备的可用性。该设备几个关键之处为可以控制温