本發(fā)明涉及一種液體粘滯系數(shù)測量裝置及測量方法，更具體的說，尤其涉及一種利用打點計時器進(jìn)行測速并可保證小球沿液體中心軸線下落的液體粘滯系數(shù)測量裝置及測量方法。
背景技術(shù)：
：在穩(wěn)定流動的液體中，由于各層流體的不同，相互接觸的兩層液體之間存在著力的作用，一作用力稱為粘滯力。不同液體波層之間粘滯力是不同的，因為它們有不同的粘滯系數(shù)。所以，液體粘滯系數(shù)的測量就成了大學(xué)物理實驗當(dāng)中一個十分重要的課題。測量液體粘滯系數(shù)常用的方法有落球法、扭擺法、轉(zhuǎn)筒法和毛細(xì)血管法。在實驗中，粘滯系數(shù)較小的液體，如水，乙醇，四氯化碳等，常用毛細(xì)管法；而對于粘滯系數(shù)較大的液體，如蓖麻油，甘油等常用落球法或轉(zhuǎn)筒法。落球法中，小球在液體中運(yùn)動時，將受到與運(yùn)動方向相反的的摩擦阻力作用，這種阻力即為粘滯力。它是由于粘附在小球表面的液層與鄰近液層的摩擦產(chǎn)生的，不是小球與液體之間的摩擦力。如果小球在下落時的速度很小，而且液體是無限廣闊的，小球在運(yùn)動過程中不產(chǎn)生漩渦，根據(jù)托克斯定律，小球受到的粘滯阻力為：F=6πηrv（3）式中：η為液體粘滯系數(shù)，v為小球下落的速度，r為小球半徑。小球落入液體后，受到重力，浮力和粘滯阻力的作用，這些力都作用在鉛直方向上。重力向下，浮力和粘滯阻力向上。小球剛落入液體時豎直向下的重力大于豎直向上的浮力和粘滯力之和，于是小球做加速運(yùn)動。隨著小球運(yùn)動速度的增加，粘滯力也增加，當(dāng)小球下落速度達(dá)到一定大小時，小球所受的合力為零，于是小球勻速下落。由式（3）可得：4/3πr3(ρ-ρ0)g=6πηrv（4）式中：ρ為小球密度；ρ0為液體密度。由上式得：η=2(ρ-ρ0)gr2/9v（5）因為液體是放在容器里，不是無限廣延的，若小球沿內(nèi)半徑為R0的圓筒下落，筒內(nèi)液體高度為h，考慮到容器器壁的影響，則：η=2(ρ-ρ0)gr2/[9v0(1+2.4r/R0)(1+3.3r/h)]=(ρ-ρ0)gd2/[18v0(1+2.4d/2R0)(1+3.3d/2h)](6)式中：d為小球的直徑，η的單位為Pa*s。在d<<R0和d<<h的條件下，才能將液體看成無限廣延，而得出式（5）。從而能求出液體的粘滯系數(shù)。斯托克式公式（3）是根據(jù)理想狀態(tài)（無漩渦）下，流體普遍運(yùn)動方程導(dǎo)出的。為此，我們需要修正斯托克公式進(jìn)行修正。修正的結(jié)果為：η1=(ρ-ρ0)gd2/[18v0(1+2.4d/2R0)(1+3.3d/2h)]-3ρ0dv0/16=η-3ρ0dv0/16（7）現(xiàn)有落球法測量粘滯系數(shù)的裝置和方法還存在以下問題和不足，具體如下：小球下落易偏離軸線方向，油筒壁對小球運(yùn)動影響加大。實驗中，要求小球下落時應(yīng)盡可能沿筒軸線方向，才可能最大限度地減少油筒對小球運(yùn)動的影響?？墒菍嶒炛袑W(xué)生靠自測進(jìn)行估計，往往不能確定軸線方向。而且，取放小球工具不當(dāng)，會導(dǎo)致小球釋放到油筒中時，小球軌跡偏離軸線，從而增加對小球運(yùn)動狀態(tài)的影響，產(chǎn)生很大誤差，甚至有時由于操作失誤，小球不能保證由靜止開始下落，下落時帶有水平的初速度，這就更造成了許多不必要的誤差。在現(xiàn)有的實驗中，需要調(diào)節(jié)實驗架上、下兩個激光器，對其進(jìn)行對光處理，這個過程需要小心翼翼，操作起來極為麻煩。當(dāng)小球剛進(jìn)入上下兩個激光器區(qū)域時，我們就認(rèn)為小球從擋住上激光器開始做勻速運(yùn)動，這是不準(zhǔn)確的，我們并不能確定小球在進(jìn)入液體后何時開始勻速運(yùn)動。原有實驗儀器只能測量當(dāng)前室溫下液體的粘滯系數(shù)，然而在實際生活和科研中，研究同種液體在不同溫度下粘滯系數(shù)的變化更有意義。。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明為了克服上述技術(shù)問題的缺點，提供了一種液體粘滯系數(shù)測量裝置及測量方法。本發(fā)明的液體粘滯系數(shù)測量裝置，包括支撐臺、圓筒、小球和細(xì)繩，圓筒中存儲有待測液體；其特征在于：支撐臺上放置有打點計時器，打點計時器中設(shè)置有紙帶，支撐臺一側(cè)的邊緣設(shè)置有定滑輪，圓筒以開口朝上的形式固定于定滑輪的下方，圓筒的開口處放置有開口朝下的漏斗，漏斗的軸線與圓筒的軸線在同一條直線上；小球位于漏斗中，細(xì)繩的一端與小球固定，另一端穿過漏斗、繞過定滑輪后與紙帶相固定。本發(fā)明的液體粘滯系數(shù)測量裝置，圓筒的外圍設(shè)置有外筒，外筒中存儲有對圓筒中的待測液體進(jìn)行加熱和保溫的循環(huán)水。本發(fā)明的液體粘滯系數(shù)測量裝置，包括對圓筒中待測液體的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)的溫度控制裝置，溫度控制裝置由溫度控制儀、加熱桶、輸入泵、輸出泵組成以及設(shè)置于圓筒中的溫度傳感器組成，加熱桶中設(shè)置有加熱器，以便對加熱桶中的循環(huán)水進(jìn)行加熱；加熱桶中的循環(huán)水經(jīng)輸入泵抽至外筒中，外筒中的循環(huán)水經(jīng)輸出泵抽至加熱桶中；溫度控制儀通過溫度傳感器測量圓筒中的水溫，通過控制加熱器、輸入泵、輸出泵的開關(guān)狀態(tài)，將圓筒中的被測液體維持在設(shè)定溫度。本發(fā)明的液體粘滯系數(shù)測量裝置的測量方法，其特征在于，通過以下步驟來實現(xiàn)：a).設(shè)備安放，將打點計時器放置于支撐臺上，并將紙帶放入打點計時器中；將圓筒放置于定滑輪的下方，漏斗倒扣于圓筒的開口上，并保證漏斗軸線與圓筒軸線在同一直線上，把懸掛小球的細(xì)繩繞過定滑輪固定于紙帶上；將加熱桶上的出口經(jīng)輸入泵與外筒的進(jìn)水口相連通，外筒上的出水口經(jīng)輸出泵與加熱桶上入口相連通；b).下放小球，打開打點計時器，然后釋放小球，使小球沿圓筒的中心軸線方向下降；c).計算勻速速度值，待小球下降至圓筒底部后，打開打點計時器取出紙帶，識別出小球勻速運(yùn)動的區(qū)域，并讀取兩打點之間的距離，進(jìn)而計算出小球做勻速運(yùn)動時的速度值，設(shè)為v0；d).計算粘滯系數(shù)，設(shè)圓筒內(nèi)部空腔的半徑為R0，圓筒內(nèi)待測液體的高度為h，小球的密度為ρ、半徑為r，待測液體的密度為ρ0；定滑輪的摩擦系數(shù)為c；通過公式（1）計算出待測液體的粘滯系數(shù)η：η=2(ρ-cρ-ρ0)gr2/[9v0(1+2.4r/R0)(1+3.3r/h)](1)考慮到小球在圓筒中液體下落時存在漩渦現(xiàn)象，利用公式（2）對計算的粘滯系數(shù)η進(jìn)行修正：η1=η-3ρ0dv0/16（2）其中，d為小球的直徑，d=2r。本發(fā)明的液體粘滯系數(shù)測量裝置的測量方法，步驟a)中，如需測量液體在特定溫度下的粘滯系數(shù)，則打開溫度控制儀，將溫度設(shè)定在相應(yīng)溫度，待溫度控制儀將圓筒中的液體加熱至設(shè)定溫度后，再進(jìn)行下一步的測量。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的液體粘滯系數(shù)測量裝置的測量方法，通過在圓筒上端設(shè)置倒扣的漏斗，且漏斗軸線與圓筒軸線在同一直線上，實驗時，保證了小球始終沿圓筒的中心軸線下落，使得圓筒壁對小球的影響降到了最低，提高了液體粘滯系數(shù)的測量精度。通過打點計時器對小球在液體中的下落過程進(jìn)行記錄，可有效識別出小球在液體中的勻速運(yùn)動狀態(tài)，相對于以往采用激光器計量的方法獲取的小球運(yùn)動速度更加精準(zhǔn)，進(jìn)一步保證了液體粘滯系數(shù)的測量精度。進(jìn)一步地，通過設(shè)置可對圓筒中液體溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)的溫度控制裝置，根據(jù)需求可將圓筒中的液體加熱至設(shè)定溫度，便于進(jìn)行不同溫度下液體粘滯系數(shù)不同的分析實驗。附圖說明圖1為本發(fā)明的液體粘滯系數(shù)測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中：1支撐臺，2圓筒，3小球，4漏斗，5定滑輪，6細(xì)繩，7打點計時器，8紙帶，9外筒，10溫度控制儀，11輸入泵，12輸出泵，13加熱桶，14加熱器，15溫度傳感器。具體實施方式下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1所示，給出了本發(fā)明的液體粘滯系數(shù)測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其包括支撐臺1、圓筒2、小球3、漏斗4、定滑輪5、細(xì)繩6、打點計時器7、紙帶8以及溫度控制裝置，所示的支撐臺1起固定和支撐作用，支撐臺1距離地面一定高度，打點計時器7放置于支撐臺1上，打點計時器7中放置有紙帶8，用于記錄小球3的運(yùn)動信息。所示的定滑輪5固定于支撐臺1的右側(cè)，圓筒2放置于定滑輪5的下方，漏斗4倒扣于圓筒2的上端。小球3系在細(xì)繩6的一端，細(xì)繩6穿過漏斗4并繞過定滑輪5后系于紙帶8上，在實驗前，小球3位于漏斗4所在的高度位置上。漏斗4的中心軸線與圓筒2的中心軸線在同一條直線上，以便小球3下落的過程中，始終沿圓筒2的中心軸線方向下落，使圓筒2的內(nèi)壁對小球3運(yùn)動的影響降到了最低。實驗過程中，待小球3落至2的底部后，通過識別紙帶8上的打點間距，即可識別出小球3在液體中的勻速運(yùn)動時間段，根據(jù)打點間距即可計算出小球3在液體中勻速運(yùn)動時的速度。與以往采用兩個激光器識別小球出現(xiàn)時間點相比，可識別出小球3的勻速運(yùn)動時間段，將剛進(jìn)入液體中的加速下落過程排出在外，使得速度測量更加精準(zhǔn)。本發(fā)明的液體粘滯系數(shù)測量裝置的測量方法，通過以下步驟來實現(xiàn)：a).設(shè)備安放，將打點計時器放置于支撐臺上，并將紙帶放入打點計時器中；將圓筒放置于定滑輪的下方，漏斗倒扣于圓筒的開口上，并保證漏斗軸線與圓筒軸線在同一直線上，把懸掛小球的細(xì)繩繞過定滑輪固定于紙帶上；將加熱桶上的出口經(jīng)輸入泵與外筒的進(jìn)水口相連通，外筒上的出水口經(jīng)輸出泵與加熱桶上入口相連通；b).下放小球，打開打點計時器，然后釋放小球，使小球沿圓筒的中心軸線方向下降；c).計算勻速速度值，待小球下降至圓筒底部后，打開打點計時器取出紙帶，識別出小球勻速運(yùn)動的區(qū)域，并讀取兩打點之間的距離，進(jìn)而計算出小球做勻速運(yùn)動時的速度值，設(shè)為v0；d).計算粘滯系數(shù)，設(shè)圓筒內(nèi)部空腔的半徑為R0，圓筒內(nèi)待測液體的高度為h，小球的密度為ρ、半徑為r，待測液體的密度為ρ0；定滑輪的摩擦系數(shù)為c；通過公式（1）計算出待測液體的粘滯系數(shù)η：η=2(ρ-cρ-ρ0)gr2/[9v0(1+2.4r/R0)(1+3.3r/h)](1)考慮到小球在圓筒中液體下落時存在漩渦現(xiàn)象，利用公式（2）對計算的粘滯系數(shù)η進(jìn)行修正：η1=η-3ρ0dv0/16（2）其中，d為小球的直徑，d=2r。步驟a)中，如需測量液體在特定溫度下的粘滯系數(shù)，則打開溫度控制儀，將溫度設(shè)定在相應(yīng)溫度，待溫度控制儀將圓筒中的液體加熱至設(shè)定溫度后，再進(jìn)行下一步的測量。對比試驗：試驗中，液體密度ρ0=9.54*102kg/m3，小球密度ρ=7.74*103kg/m3，圓筒半徑R0=3.3cm，圓筒中液體（油）的高度h=35cm，小球半徑r=0.3cm。作為參照組，利用激光光電門與電子計時儀器測量小球的勻速運(yùn)動速度的實驗數(shù)據(jù)如表1所示：表1次數(shù)123456時常（s）0.8100.8050.8370.8060.8210.835兩個激光燈之間的距離L=10cm。對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：時間t的值取6次平均數(shù)，即t=0.819s。所以可求得η=0.738Pa*s，修正后η1=0.608Pa*s。此時實驗室溫度為30℃，無風(fēng)。該條件下液體的粘滯系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為0.55Pa*s，上面結(jié)果的的誤差為10.5%。采用本發(fā)明的試驗裝置進(jìn)行試驗，液體、小球均相同，定滑輪的摩擦系數(shù)c=0.6。通過對紙帶進(jìn)行分析，5個點為一個計時點，測得相鄰段都相等的部分兩個計時點間的距離為0.5cm，進(jìn)而計算出小球做勻速運(yùn)動的速度大小為V0=0.05m/s。小球在運(yùn)動的過程中還受滑輪摩擦力的影響，故對小球進(jìn)行受力分析可得出以下結(jié)論：[4πr3ρ（g-cg）]/3-4πr3ρ0g/3=6πηrv（8）因為液體是放在容器里，不是無限廣延的，考慮到容器器壁的影響，則通過公式（1）計算出液體的粘滯系數(shù)：η=2(ρ-cρ-ρ0)gr2/[9v0(1+2.4r/R0)(1+3.3r/h)](1)將數(shù)據(jù)代入公式（1）得到液體的粘滯系數(shù)η=0.600Pa*s?？紤]到小球在圓筒中液體下落時存在漩渦現(xiàn)象，利用公式（2）對計算的粘滯系數(shù)η進(jìn)行修正：η1=η-3ρ0dv0/16（2）其中，d為小球的直徑，得到η=0.546Pa*s。此條件下液體的粘滯系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為0.55Pa*s，上面結(jié)果的誤差為0.72%，通過對上述數(shù)據(jù)的比較和分析，我們認(rèn)為:(1)當(dāng)改進(jìn)后的實驗和原始實驗在同一外部環(huán)境下進(jìn)行時，由結(jié)果可以看出，改進(jìn)后的測量結(jié)果誤差要比原始實驗的測量結(jié)果誤差低9個百分點，可以說明使用打點計時器測量小球的速度和使用去頂漏斗對小球進(jìn)行中軸線控制對液體粘滯力的測量有很大的影響。通過以上分析，我們對這個實驗的改進(jìn)可以較明顯的提高測量精度，減小測量誤差的產(chǎn)生。（2）我們在改進(jìn)的實驗中使用打點計時器，在實驗前期準(zhǔn)備的過程中，省去了學(xué)生需要對光的繁瑣過程。另外，使用去頂漏斗，很容易的控制了小球從中軸線下落，且精度很高。（3）通過對實驗儀器增加控溫裝置，我們做到了測量不同溫度下液體的粘滯系數(shù)。這對實際生活和科研都有很大的幫助。本發(fā)明的液體粘滯系數(shù)測量裝置，不僅提高了試驗精度和減小實驗過程中一些復(fù)雜繁瑣的過程，還讓我們領(lǐng)會到了溫度對液體粘滯系數(shù)產(chǎn)生的影響。當(dāng)前第1頁1 2 3