專(zhuān)利名稱(chēng)：旋轉(zhuǎn)液體綜合實(shí)驗(yàn)儀及實(shí)驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種物理實(shí)驗(yàn)裝置，特別是涉及能定量地測(cè)量重力加速度和液體粘滯系數(shù)的旋轉(zhuǎn)液體綜合實(shí)驗(yàn)儀。
背景技術(shù)：
重力加速度是一個(gè)非常重要的物理量，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，常用到以下測(cè)量重力加速度的方法和儀器I、自由落體法，它是根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)是一種初速度為零，加速度為g的勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，即h=12gt2]]>若物體下落至某一高度處所具有的速度為v0，那么，在該高度處t時(shí)間內(nèi)物體下落的高度為h=v0t+12gt2,]]>通過(guò)自由落體儀在實(shí)驗(yàn)中，測(cè)出一系列nt(n＝1，2，3，…)所對(duì)應(yīng)的高度hi(i＝1，2，3，…)，就可由上式根據(jù)二次逐差法原則導(dǎo)出重力加速度g。
II、氣墊導(dǎo)軌法，將氣墊導(dǎo)軌調(diào)整為具有一傾斜角，滑塊從上往下做勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在氣軌的上下兩處各放一個(gè)光電門(mén)，分別測(cè)出滑塊的速度，通過(guò)相應(yīng)公式求出重力加速度。
III、單擺法，當(dāng)擺角幅度較小時(shí)，忽略空氣阻力，單擺在豎直面內(nèi)的擺動(dòng)是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，振動(dòng)周期T=2πL/g]]>式中，L為單擺擺長(zhǎng)；g為重力加速度。測(cè)出了T和L，即可由下式計(jì)算gg＝4π2L/T2。參見(jiàn)專(zhuān)利《用單擺測(cè)定重力加速度實(shí)驗(yàn)儀》<申請(qǐng)?zhí)?amp;gt;02219720。
粘滯系數(shù)是用來(lái)表征運(yùn)動(dòng)流體粘滯性的一個(gè)物理量，在各類(lèi)機(jī)械中使用的潤(rùn)滑油的選擇，液壓傳動(dòng)以及對(duì)實(shí)際流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究中，都需要測(cè)定粘滯系數(shù)。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常用的是落球法。一個(gè)小球在液體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到重力、浮力、粘滯力三個(gè)力的作用。如果液體是無(wú)限廣延的，且在運(yùn)動(dòng)中不產(chǎn)生旋渦，則根據(jù)斯托克斯定律，小球受到的粘滯力為f＝3πηdv式中，d是小球直徑，v是小球下落速度，η是液體的粘滯系數(shù)。小球下降一段時(shí)間后以勻速度下落，此時(shí)粘滯力與浮力之和等于小球的重力?？筛鶕?jù)推導(dǎo)出的公式η=(ρ-ρ0)gd218v]]>(ρ和ρ0分別是小球和液體的密度)測(cè)量和計(jì)算。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要測(cè)量小球下落一定距離所需的時(shí)間，計(jì)算小球下落速度，代入公式求出粘滯系數(shù)。參見(jiàn)專(zhuān)利《落球法粘滯系數(shù)測(cè)定儀》<申請(qǐng)?zhí)?amp;gt;02215782。
現(xiàn)有的重力加速度測(cè)量?jī)x器和粘滯系數(shù)測(cè)量?jī)x器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用中均為獨(dú)立的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，兩者的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及所測(cè)物理量不多，作為一個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只需一半的實(shí)驗(yàn)時(shí)間就可完成實(shí)驗(yàn)，這樣就會(huì)造成學(xué)習(xí)時(shí)間的浪費(fèi)和效率下降。如果教學(xué)中不具備這兩種儀器，便無(wú)法進(jìn)行重力加速度和粘滯系數(shù)的測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種集力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)為一體的可進(jìn)行重力加速度、粘滯系數(shù)測(cè)量和光學(xué)系統(tǒng)研究的旋轉(zhuǎn)液體綜合物理實(shí)驗(yàn)裝置。
本發(fā)明提供的旋轉(zhuǎn)液體綜合實(shí)驗(yàn)儀，由轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、速度控制調(diào)節(jié)模塊、測(cè)速及顯示模塊、激光器及測(cè)量部件組成。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)置于箱體內(nèi)，箱體上端面上的圓盤(pán)固定在電機(jī)軸承上，可跟隨電機(jī)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。箱體面板上設(shè)有調(diào)速開(kāi)關(guān)、正反轉(zhuǎn)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)、速度數(shù)碼顯示、激光器電源。箱體上垂直固定了兩根帶有刻度的支撐桿。支撐桿用于測(cè)量和固定不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容所需的測(cè)量部件并使其位置方向可調(diào)。測(cè)量部件包括毫米刻度水平屏幕，水平標(biāo)線(xiàn)，水平量角器，毫米刻度垂直屏幕，張絲懸掛圓柱體。圓柱形實(shí)驗(yàn)容器固定放置在轉(zhuǎn)盤(pán)上。其特征是通過(guò)調(diào)速開(kāi)關(guān)，使放置在轉(zhuǎn)盤(pán)上盛有液體的實(shí)驗(yàn)容器旋轉(zhuǎn)，達(dá)到液體的旋轉(zhuǎn)，數(shù)碼顯示液體轉(zhuǎn)速，測(cè)量各種相關(guān)的物理量，進(jìn)行不同的物理實(shí)驗(yàn)。
本發(fā)明提供的綜合物理實(shí)驗(yàn)原理及方法A、測(cè)量重力加速度旋轉(zhuǎn)液體拋物面公式推導(dǎo)定量計(jì)算時(shí)，選取隨圓柱形容器旋轉(zhuǎn)的參考系，這是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的非慣性參考系。液相對(duì)于參考系靜止，任選一小塊液體P，其受力如圖2。Fi為沿徑向向外的慣性離心力，mg為重力，N為這一小塊液體周?chē)后w對(duì)它的作用力的合力，由對(duì)稱(chēng)性可知，N必然垂直于液體表面。在X-Y坐標(biāo)下P(x，y)則有Ncosθ-mg＝0Nsinθ-Fi＝0Fi＝mω2xtanθ=dydx=ω2xg]]>
根據(jù)圖2有y=ω22gx2+y0---(1)]]>ω為旋轉(zhuǎn)角速度，y0為x＝0處的y值。此為拋物線(xiàn)方程，可見(jiàn)液面為旋轉(zhuǎn)拋物面。
在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，一個(gè)盛有液體半徑為R的圓柱形實(shí)驗(yàn)容器繞該圓柱體的對(duì)稱(chēng)軸以角速度ω勻速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，液體的表面形成拋物面，如圖3。
設(shè)液體未旋轉(zhuǎn)時(shí)液面高度為h，液體的體積為V＝πR2h (2)因液體旋轉(zhuǎn)前后體積保持不變，旋轉(zhuǎn)時(shí)液體體積可表示為V=∫0Ry(2πx)dx=2π∫(ω2x22g+y0)xdx---(3)]]>由(2)、(3)式得y0=h-ω2R24g---(4)]]>聯(lián)立(1)、(4)可得，當(dāng)x＝x0＝R/時(shí)，y(x0)＝h，即液面在x0處的高度是恒定值。
方法一用旋轉(zhuǎn)液體液面最高與最低處的高度差測(cè)量重力加速度g根據(jù)圖3所示，設(shè)旋轉(zhuǎn)液面最高與最低處的高度差為Δh，點(diǎn)(R，y0+Δh)在(1)式的拋物線(xiàn)上，有y0+Δh=ω2R22g+y0,]]>得g=ω2R22Δh]]>又ω=2πn60,]]>則g=π2D2n27200·Δh---(5)]]>D為實(shí)驗(yàn)容器直徑，n為旋轉(zhuǎn)速度(轉(zhuǎn)/分)。
方法二、斜率法測(cè)重力加速度如圖3所示，激光束平行轉(zhuǎn)軸入射，經(jīng)過(guò)BC透明屏幕，打在x0＝R/的液面A點(diǎn)上，反射光點(diǎn)為C，A處切線(xiàn)與x方向的夾角為θ，則∠BAC＝2θ，測(cè)出透明屏幕至容器底部的距離H、液面靜止時(shí)高度h，以及兩光點(diǎn)BC間距離d，則tan2θ=dH-h,]]>求出θ值。
因?yàn)閠anθ=dydx=ω2xg,]]>在x0＝R/處有tanθ=ω2R2g]]>因?yàn)?amp;omega;=2πn60,]]>則tanθ=(2πn60)2R2g=4π2Rn236002g=2π2Dn236002g]]>g=2π2D36002tanθ---(6)]]>或可作tanθ～n2曲線(xiàn)，求斜率k，可得k=2π2D36002g,]]>求出g=2π236002k]]>B、驗(yàn)證拋物面焦距與轉(zhuǎn)速的關(guān)系旋轉(zhuǎn)液體表面形成的拋物面可看作一個(gè)凹面鏡，符合光學(xué)成像系統(tǒng)的規(guī)律，若光線(xiàn)平行于曲面對(duì)稱(chēng)軸入射，反射光將全部會(huì)聚于拋物面的焦點(diǎn)。
根據(jù)拋物線(xiàn)方程(1)，拋物面的焦距f=g2ω2.]]>C、測(cè)量液體粘滯系數(shù)沿實(shí)驗(yàn)容器中心放入張絲懸掛的圓柱體，浸沒(méi)于液體中，圓柱高度為L(zhǎng)，半徑為R1，實(shí)驗(yàn)容器半徑為R，如圖4所示。
實(shí)驗(yàn)容器以恒定的角速度ω0旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)速較小的情況下，流體會(huì)很規(guī)則地一層層地轉(zhuǎn)動(dòng)，穩(wěn)定時(shí)圓柱體靜止，角速度為零。
1、設(shè)實(shí)驗(yàn)容器穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓柱形物體所承受的阻力矩為M，則M＝圓柱側(cè)面所受液體的阻力矩M1+圓柱底面所受液體摩擦力矩M2(推導(dǎo)略)M1=4πηLω0R12R2R12-R2---(7)]]>M2=πηR4ω02Δz---(8)]]>圓柱形物體所承受的液體阻力矩MM=M1+M2=4πηLω0R12R2R12-R2+πηR4ω02Δz---(9)]]>2、張絲扭轉(zhuǎn)力矩M‘。
懸掛圓柱體的張絲為鋼絲，其切變模量為G，張絲半徑為r，張絲長(zhǎng)度為L(zhǎng)‘。轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為M′=πGr42L′θ---(10)]]>該式表示力矩M‘與扭轉(zhuǎn)角度θ成正比。
在液體旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，液體產(chǎn)生的阻力矩與懸掛張絲所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩平衡，使得圓柱形物體達(dá)到靜止。
所以M＝M‘從(9)、(10)式可以解出粘度系數(shù)為η=Gr42L′ω0θ[2Δz(R12-R2)8LΔzR12R2+(R12-R2)R4]---(11)]]>其中G金屬?gòu)埥z的切變模量r張絲半徑L‘張絲長(zhǎng)度θ為偏轉(zhuǎn)角度ω0實(shí)驗(yàn)容器轉(zhuǎn)速Δz圓柱底面到實(shí)驗(yàn)容器底面的距離L圓柱高度R1圓柱半徑R實(shí)驗(yàn)容器半徑。
本發(fā)明采用上述實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)方法構(gòu)成了一種旋轉(zhuǎn)液體綜合實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅能定性地觀察離心力作用的現(xiàn)象，還可將旋轉(zhuǎn)液體的上凹面作為一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)加以研究，可定量地測(cè)量重力加速度和液體粘滯系數(shù)。此實(shí)驗(yàn)綜合了流體力學(xué)、幾何光學(xué)和物理光學(xué)等多方面知識(shí)，內(nèi)容十分豐富，能較好的鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和分析能力，提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。


圖1為本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置2為實(shí)驗(yàn)原理3為測(cè)量重力加速度g實(shí)驗(yàn)原理4為液體粘滯系數(shù)測(cè)量原理5為測(cè)量重力加速度g實(shí)施例2實(shí)驗(yàn)裝置6為測(cè)量重力加速度g實(shí)施例3實(shí)驗(yàn)裝置7為驗(yàn)證拋物面焦距與轉(zhuǎn)速的關(guān)系實(shí)驗(yàn)裝置8為測(cè)量液體粘滯系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置9為實(shí)施例3的驗(yàn)證拋物面焦距與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖1、帶有毫米刻度的支撐桿 2、激光器 3、毫米刻度水平透明屏幕 4、水平標(biāo)線(xiàn) 5、水平儀6、箱體 7、激光器電源插孔 8、正反轉(zhuǎn)撥動(dòng)開(kāi)關(guān) 9、調(diào)速開(kāi)關(guān) 10、速度顯示窗 11、轉(zhuǎn)盤(pán)12、圓柱形實(shí)驗(yàn)容器 13、水平量角器 14、毫米刻度垂直透明屏幕 15、張絲懸掛圓柱體 16、張絲具體實(shí)施方式
實(shí)施例1本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1由轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、速度控制調(diào)節(jié)模塊、測(cè)速及顯示模塊、激光器及測(cè)量部件組成。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)置于箱體6內(nèi)，箱體6上端面上的轉(zhuǎn)盤(pán)11固定在電機(jī)軸承上，可跟隨電機(jī)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。箱體面板上設(shè)有調(diào)速開(kāi)關(guān)10、正反轉(zhuǎn)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)9、速度數(shù)碼顯示10、激光器電源。儀器箱體6上垂直固定帶有刻度的支撐桿1，支撐桿1上固定位置方向可調(diào)的不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容所需的部件，所述部件包括激光器2，毫米刻度水平屏幕3，水平標(biāo)線(xiàn)4，水平量角器13，毫米刻度垂直屏幕14，張絲懸掛圓柱體15，張絲16；箱體6的轉(zhuǎn)盤(pán)11上固定放置圓柱形實(shí)驗(yàn)容器12；調(diào)速開(kāi)關(guān)9和正反轉(zhuǎn)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)8連接速度控制電路并通過(guò)顯示窗10顯示轉(zhuǎn)盤(pán)速度。
通過(guò)本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置調(diào)的速開(kāi)關(guān)，使放置在轉(zhuǎn)盤(pán)上盛有液體的實(shí)驗(yàn)容器旋轉(zhuǎn)，達(dá)到液體的旋轉(zhuǎn)，數(shù)碼顯示液體轉(zhuǎn)速，從而進(jìn)行各物理量的測(cè)量，和不同的物理實(shí)驗(yàn)。
實(shí)施例2用旋轉(zhuǎn)液體液面最高與最低處的高度差測(cè)量重力加速度g，實(shí)驗(yàn)步驟如下參見(jiàn)附圖5，盛有液體的圓柱形實(shí)驗(yàn)容器12，通過(guò)調(diào)速開(kāi)關(guān)9，以某一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，內(nèi)盛的液體表面形成拋物面，轉(zhuǎn)速由數(shù)碼顯示10；改變實(shí)驗(yàn)容器轉(zhuǎn)速n(轉(zhuǎn)/秒)(ω＝2πn)，用水平標(biāo)線(xiàn)4分別對(duì)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)液體呈現(xiàn)拋物面的底部和最高處，并在帶有刻度的支撐桿1讀出液面最高與最低處的值，計(jì)算高度差Δh，用游標(biāo)卡尺測(cè)量實(shí)驗(yàn)容器的直徑D，根據(jù)公式g=π2D2n27200·Δh]]>計(jì)算重力加速度g。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

g＝981.11(cm/s2)杭州地區(qū)重力加速度公認(rèn)值g＝979.30cm/s2實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差E＝0.18％實(shí)施例3用斜率法測(cè)重力加速度g，參見(jiàn)附圖6。將毫米刻度水平屏幕3置于盛有液體的圓柱形實(shí)驗(yàn)容器12上方，激光器2激光束平行轉(zhuǎn)軸入射，經(jīng)過(guò)毫米刻度水平屏幕3，對(duì)準(zhǔn)容器12底x0＝R/處的記號(hào)，測(cè)出透明屏幕3至容器12底部的距離H，液面靜止時(shí)高度h；調(diào)速開(kāi)關(guān)9改變圓柱形實(shí)驗(yàn)容器12轉(zhuǎn)速n(轉(zhuǎn)/分)(ω=2πn60),]]>在毫米刻度水平屏幕3上讀出入射光與反射光點(diǎn)BC間距離d，則tan2θ=dH-h,]]>求出tanθ值，根據(jù)公式g=2π2D36002tanθ,]]>求出重力加速度g。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)透明屏幕與靜止液體液面的高度差H-h＝92.0mm g＝987.55(cm/s2)杭州地區(qū)重力加速度公認(rèn)值g＝979.30cm/s2實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差E＝0.75％實(shí)施例4驗(yàn)證拋物面焦距與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，參照附圖7，將毫米刻度垂直屏幕14過(guò)轉(zhuǎn)軸放入盛有液體的實(shí)驗(yàn)容器中央，通過(guò)調(diào)速開(kāi)關(guān)9，以某一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，內(nèi)盛的液體表面形成拋物面，轉(zhuǎn)速由數(shù)碼顯示10；激光束平行轉(zhuǎn)軸入射至旋轉(zhuǎn)液面，后聚焦在垂直屏幕上，可改變?nèi)肷湮恢糜^察聚焦情況，通過(guò)改變轉(zhuǎn)速n(轉(zhuǎn)/分)(ω=2πn60),]]>觀察激光束平行轉(zhuǎn)軸入射后在垂直屏幕上所呈的焦點(diǎn)位置，用水平標(biāo)線(xiàn)4和垂直屏幕14上的刻度及支撐桿1上的刻度讀取焦點(diǎn)與液體凹面底部的距離即實(shí)際焦距；用拋物面的焦距f=g2ω2]]>公式，計(jì)算每一轉(zhuǎn)速下的焦距與實(shí)際焦距比較。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

所獲得的焦距與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖見(jiàn)圖9實(shí)施例5測(cè)量液體粘滯系數(shù)，參照附圖8，在圓柱形實(shí)驗(yàn)容器12中倒入一定量的液體，將張絲懸掛的圓柱體15垂直浸沒(méi)于液體中，圓柱中心與旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)一致，將水平量角器13的中心圓孔對(duì)準(zhǔn)鋼絲，使鋼絲正好穿過(guò)小孔，周?chē)荒芟嗯?；圓柱體15上表面有一刻度線(xiàn)記號(hào)，調(diào)整激光器2的位置使激光光線(xiàn)垂直經(jīng)過(guò)量角器13后對(duì)準(zhǔn)液體靜止時(shí)柱面上的刻度線(xiàn)，記錄此時(shí)激光在水平量角器13上所對(duì)應(yīng)的角度；然后打開(kāi)調(diào)速開(kāi)關(guān)9，低速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速由數(shù)碼顯示10；圓柱形實(shí)驗(yàn)容器12以恒定的角速度ω0旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)速較小的情況下，流體規(guī)則地一層層地轉(zhuǎn)動(dòng)，穩(wěn)定時(shí)圓柱體靜止角速度為零，此時(shí)再調(diào)整激光器2的位置，使激光光線(xiàn)垂直經(jīng)過(guò)量角器13后對(duì)準(zhǔn)已靜止了的柱體面上的刻度線(xiàn)，記錄激光在水平量角器13上所對(duì)應(yīng)的角度；前后記錄的兩角度差即為圓柱的偏轉(zhuǎn)角θ；實(shí)驗(yàn)中分別測(cè)出不同轉(zhuǎn)速下的圓柱偏轉(zhuǎn)角θ。
用螺旋測(cè)微儀測(cè)量張絲半徑r、用游標(biāo)卡尺測(cè)量張絲長(zhǎng)度L‘、水平標(biāo)線(xiàn)4測(cè)量圓柱底面到實(shí)驗(yàn)容器底面的距離Δz、用游標(biāo)卡尺測(cè)量圓柱高度L、用游標(biāo)卡尺測(cè)量圓柱半徑R1、用游標(biāo)卡尺測(cè)量實(shí)驗(yàn)容器半徑R、查出金屬?gòu)埥z的切變模量G，即可根據(jù)公式η=Gr42L′ω0θ[2Δz(R12-R2)8LΔzR12R2+(R12-R2)R4],]]>計(jì)算出液體的粘滯系數(shù)η。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)蓖麻油，T＝18℃


η＝1.30537Pas 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式η＝5.75e-0.0837t[1]得η＝1.27455Pas實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差E＝2.4％G＝81GPa金屬?gòu)埥z的切變模量r＝0.1213mm張絲半徑L‘＝30.0cm張絲長(zhǎng)度 θ為偏轉(zhuǎn)角度ω0容器轉(zhuǎn)速 Δz＝2.3cm圓柱底面到實(shí)驗(yàn)容器底面的距離L＝3.0cm 圓柱高度R1＝1.5cm圓柱半徑R＝4.9cm實(shí)驗(yàn)容器半徑。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)液體綜合實(shí)驗(yàn)儀，包括由轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、速度控制調(diào)節(jié)模塊、測(cè)速及顯示模塊、激光器及測(cè)量部件組成，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)置于箱體內(nèi)，箱體上端面上的圓盤(pán)固定在電機(jī)軸承上，可跟隨電機(jī)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，箱體面板上設(shè)有調(diào)速開(kāi)關(guān)、正反轉(zhuǎn)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)、速度數(shù)碼顯示、激光器電源，箱體上垂直固定了兩根帶有刻度的支撐桿，支撐桿用于測(cè)量和固定不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容所需的測(cè)量部件并使其位置方向可調(diào)，測(cè)量部件包括毫米刻度水平屏幕，水平標(biāo)線(xiàn)，水平量角器，毫米刻度垂直屏幕，張絲懸掛圓柱體，圓柱形實(shí)驗(yàn)容器固定放置在轉(zhuǎn)盤(pán)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)液體綜合實(shí)驗(yàn)儀，其特征是激光器(2)固定在支撐桿(1)上，位置和方向可調(diào)，通過(guò)面板上激光器電源插孔(7)供電。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)液體綜合實(shí)驗(yàn)儀，其特征是器箱體(6)上的圓柱形實(shí)驗(yàn)容器(12)的兩側(cè)垂直固定兩根帶有刻度的支撐桿(1)。
4.權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)液體綜合實(shí)驗(yàn)儀液體粘滯系數(shù)測(cè)量方法，其實(shí)驗(yàn)步驟是在圓柱形實(shí)驗(yàn)容器(12)中倒入一定量的液體，將張絲懸掛的圓柱體(15)垂直浸沒(méi)于液體中，圓柱中心與旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)一致，將水平量角器(13)的中心圓孔對(duì)準(zhǔn)鋼絲，使鋼絲正好穿過(guò)小孔，周?chē)荒芟嗯?；圓柱體(15)上表面有一刻度線(xiàn)記號(hào)，調(diào)整激光器(2)的位置使激光光線(xiàn)垂直經(jīng)過(guò)量角器(13)后對(duì)準(zhǔn)液體靜止時(shí)柱面上的刻度線(xiàn)，記錄此時(shí)激光在水平量角器(13)上所對(duì)應(yīng)的角度；然后打開(kāi)調(diào)速開(kāi)關(guān)(9)，低速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速由數(shù)碼顯示(10)；圓柱形實(shí)驗(yàn)容器(12)以恒定的角速度ω0旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)速較小的情況下，流體規(guī)則地一層層地轉(zhuǎn)動(dòng)，穩(wěn)定時(shí)圓柱體靜止角速度為零，此時(shí)再調(diào)整激光器(2)的位置，使激光光線(xiàn)垂直經(jīng)過(guò)量角器(13)后對(duì)準(zhǔn)已靜止了的柱體面上的刻度線(xiàn)，記錄激光在水平量角器(13)上所對(duì)應(yīng)的角度；前后記錄的兩角度差即為圓柱的偏轉(zhuǎn)角θ；實(shí)驗(yàn)中分別測(cè)出不同轉(zhuǎn)速下的圓柱偏轉(zhuǎn)角θ；用螺旋測(cè)微儀測(cè)量張絲半徑r、用游標(biāo)卡尺測(cè)量張絲長(zhǎng)度L′、水平標(biāo)線(xiàn)(4)測(cè)量圓柱底面到實(shí)驗(yàn)容器底面的距離Δz、用游標(biāo)卡尺測(cè)量圓柱高度L、用游標(biāo)卡尺測(cè)量圓柱半徑R1、用游標(biāo)卡尺測(cè)量實(shí)驗(yàn)容器半徑R、查出金屬?gòu)埥z的切變模量G，即可根據(jù)公式η=Gr42L′ω0θ[2Δz(R12-R2)8LΔzR12R2+(R12-R2)R4],]]>計(jì)算出液體的粘滯系數(shù)η。
5.權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)液體綜合實(shí)驗(yàn)儀測(cè)量重力加速度g測(cè)量方法，其持征是用斜率法測(cè)重力加速度g，其步驟是將毫米刻度水平屏幕(3)置于盛有液體的圓柱形實(shí)驗(yàn)容器(12)上方，激光器(2)激光束平行轉(zhuǎn)軸入射，經(jīng)過(guò)毫米刻度水平屏幕(3)，對(duì)準(zhǔn)容器(12)底x0＝R/處的記號(hào)，測(cè)出透明屏幕(3)至容器(12)底部的距離H，液面靜止時(shí)高度h；調(diào)速開(kāi)關(guān)(9)改變圓柱形實(shí)驗(yàn)容器(12)轉(zhuǎn)速n(轉(zhuǎn)/分)(ω=2πn60),]]>在毫米刻度水平屏幕(3)上讀出入射光與反射光點(diǎn)BC間距離d，則tan2θ=dH-h,]]>求出tanθ值，根據(jù)公式g=2π2D36002tanθ,]]>求出重力加速度g。
6.權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)液體綜合實(shí)驗(yàn)儀測(cè)量重力加速度g測(cè)量方法，其持征是用旋轉(zhuǎn)液體液面最高與最低處的高度差測(cè)量重力加速度g，實(shí)驗(yàn)步驟如下盛有液體的圓柱形實(shí)驗(yàn)容器(12)，通過(guò)調(diào)速開(kāi)關(guān)(9)，以某一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，內(nèi)盛的液體表面形成拋物面，轉(zhuǎn)速由數(shù)碼顯示(10)；改變轉(zhuǎn)速n(轉(zhuǎn)/秒)(ω＝2πn)，用水平標(biāo)線(xiàn)(4)和帶有刻度的支撐桿(1)測(cè)量液面最高與最低處的高度差Δh，用游標(biāo)卡尺測(cè)量實(shí)驗(yàn)容器的直徑D，根據(jù)公式g=π2D2n27200·Δh]]>計(jì)算重力加速度g。
7.權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)液體綜合實(shí)驗(yàn)儀驗(yàn)證拋物面焦距與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)步驟如下毫米刻度垂直屏幕(14)過(guò)轉(zhuǎn)軸放入盛有液體的實(shí)驗(yàn)容器中央，通過(guò)調(diào)速開(kāi)關(guān)(9)，以某一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，內(nèi)盛的液體表面形成拋物面，轉(zhuǎn)速由數(shù)碼顯示(10)；激光束平行轉(zhuǎn)軸入射至旋轉(zhuǎn)液面，后聚焦在垂直屏幕上，改變轉(zhuǎn)速n(轉(zhuǎn)/分)(ω=2πn60),]]>觀察激光束平行轉(zhuǎn)軸入射后在垂直屏幕上所呈的焦點(diǎn)位置，用水平標(biāo)線(xiàn)(4)和垂直屏幕(14)上的刻度及支撐桿(1)上的刻度讀取焦點(diǎn)與液體凹面底部的距離即實(shí)際焦距；用拋物面的焦距f=g2ω2]]>公式，計(jì)算每一轉(zhuǎn)速下的焦距與實(shí)際焦距比較。
全文摘要
一種旋轉(zhuǎn)液體綜合實(shí)驗(yàn)儀，包括由轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、速度控制調(diào)節(jié)模塊、測(cè)速及顯示模塊、激光器及測(cè)量部件組成，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)置于箱體內(nèi)，箱體上端面上的圓盤(pán)固定在電機(jī)軸承上，可跟隨電機(jī)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，箱體面板上設(shè)有調(diào)速開(kāi)關(guān)、正反轉(zhuǎn)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)、速度數(shù)碼顯示、激光器電源，箱體上垂直固定了兩根帶有刻度的支撐桿，支撐桿用于測(cè)量和固定不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容所需的測(cè)量部件并使其位置方向可調(diào)。本發(fā)明提供一種集力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)為一體的可進(jìn)行重力加速度、粘滯系數(shù)測(cè)量和光學(xué)系統(tǒng)研究的旋轉(zhuǎn)液體綜合物理實(shí)驗(yàn)裝置。
文檔編號(hào)G01V7/00GK1888858SQ20061005177
公開(kāi)日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2006年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月2日
發(fā)明者陳紅雨 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)