落球法测量液体黏滞系数实验的改进

轴
袁
d D
为横坐标轴袁根据实验数据作出直线袁延长该直
线 与 纵 轴 相 交 袁 其 截 距 为 t0 袁 就 是 当 D 寅 邑 时 袁 即 在 野 无 限广延冶 的液体中小球匀速下落通过 h 所需时间遥 所
以有
v0 =
h t0
袁
代入公式
浊=
( 籽 - 籽0 ) d2 18v0
得
浊=
( 籽 - 籽0 ) d2t0 18h
袁式中
d
为
小 球 直 径 袁 籽 为 小 球 密 度 袁 籽0 为 液 体 密 度 遥 通 过 该 式 即 可
计算液体的黏滞系数遥
1.1 单管落球法
单管落球法无法满足无限广延条件袁 需要对测出
的收尾速度 v 进行修正才能得到速度收尾 v袁 修正公
蓸 蔀 蓸 蔀 式 为 v0 = v
1
+
2
.
4
r R
1
Science & Technology Vision
科技视界
落球法测量液体黏滞系数实验的改进
周洪练 渊 遵 义 医 学 院 物 理 学 教 研 室 袁 贵 州 遵 义 563000 冤
揖摘 要铱针 对 多 管 法 测 量 液 体 黏 滞 系 数 中 存 在 的 两 大 问 题 袁 提 出 了 有 效 的 改 进 方 法 袁 使 实 验 结 果 的 准 确 度 得以提高袁减小了实验误差遥
1 落球法实验原理及装置
落球法是根据斯托克斯定律袁当半径为
r 的光滑小球在无限广延的液体中运动时袁
若速度不大袁半径很小袁且在运动中不产生
旋涡的情况下袁 小球所受到的黏滞阻力为
f = 6仔浊rv , 当 小 球 在 静 止 的 黏 性 液 体 中 下
时 袁 受 力 如 图 1 所 示 袁 即 G = mg 袁 F 浮 = 籽gV 袁 f = 6仔浊rv 袁 三 个 力 都 在 垂 直 方 向 遥 开 始 下 落
黏滞系数的大小由液体本身的性质和温度决定袁 液体的黏滞系数随温度的升高而减小遥 在测量过程 中袁 由于各种因素的影响袁 实验仪器周围环境温度会 有变化袁 待测液的温度随之发生变化袁 导致实验数据 误差太大遥 根据我院实验教学的要求袁 学生进入实验 室上课后教师先进行实验目的尧原理尧方法等的讲解袁 本 实 验 的 讲 解 一 般 需 要 40 分 钟 左 右 袁 在 这 期 间 温 度 变
时小球运动的速度较小袁 相应的阻力也
小袁重力大于黏滞阻力和浮力之和袁所以
小球作加速运动遥 由于黏滞阻力随小球的
运动当小球所受合外力为零时趋于匀速 图1 运 动 袁 此 时 的 速 度 称 为 收 尾 速 度 袁 记为 v0遥
经计算可得液体的黏滞系数为
浊=
渊籽-籽0 冤d2 18v 0
+
3
.
3
R H
袁 公式中 R 为盛液体
圆筒的内半径袁H 为液柱的高度遥 由于授课教师一般
不会对修正公式跟学生做太多的解释袁 学生经常对此
修正公式的正确性提出质疑遥
1.2 多管落球法
多管落球法采用线性外推法来满足无限广延条
件 袁 从而 求 得 收尾 速 度 v0遥 多 管落 球 法 不仅 原 理简 单 尧 实验方法设计巧妙尧独特袁丰富了实验内容尧学生易于
接受袁同时仪器简单尧操作方便尧实验成本低尧损耗小袁
所以非常适合学生进行相关方面的实验遥 实验中采用
的多管液体黏滞系数仪如图 2 所示袁用一组直径 D 不
同的装有待测液体的管子袁 安装在同一水平底板上袁
每个管子上下两刻线间的距离 h 均相等遥 依次测出小
球通过管中的两刻线间所需的时间 t袁 以 t 为纵坐标
科技视界
化相对较大袁 越往后相同时间间隔内温度的变化越 小遥 针对环境温度变化的这一特点袁 对学生测量的顺 序作如下 3 点要求院渊1冤 测量完小球直径后开始测量 时 间 曰 渊 2 冤 先 从 大 管 到 小 管 渊 D1 寅 D6 冤 的 顺 序 每 管 测 2 次 时 间 袁 再 从 小 管 到 大 管 渊 D6 寅 D1 冤 的 顺 序 每 管 测 2 次 时间曰渊3冤 开始测时间前第一次测量液体的温度 T 起袁 测量完最后一次时间第二次测液体温度 T 止遥最后用 4 次时间的平均值 t 作为小球下落的时间袁 用两次温度 的平均值 T 作为待测液体的温度遥 按照上述 3 点要求 进行实验袁 可以在一定程度上减小由温度的变化引起 的误差遥 当然袁 这只是在不增加实验成本的基础上减 小实验误差的一种有效办法遥 2.2 管子内径配置比例欠合理
揖关键词铱黏 滞 系 数 曰 误 差 曰 改 进
研究和测量液体的黏滞系数在化学尧医学尧水利工 程尧材料科学尧国防建设等领域中均有着重要意义袁测量 液 体 的 黏 滞 系 数 是 理 工 科 大 学 的 基 础 物 理 实 验 [1]袁 更 是 医学院校医学物理实验中一个重要的必开实验[2]遥 现代 医学研究发现,许多心血管疾病都与血液黏度的变化有 关[2-4]遥 例如袁当患有缺血性脑中风尧心肌梗塞尧冠心病尧 肺心病尧肿瘤等疾病时袁会使全血尧血浆黏度增高遥 当患 有出血性脑中风尧上消化道出血尧子宫出血尧出血性休克 等疾病时袁会使全血尧血浆黏度降低遥 因此袁在临床医学 中袁测定全血和血浆的比黏度袁已成为血液流变学检查 的一项重要指标遥
袁
通过此式即可计算液体的黏滞系数遥
图2
2 多管落球存在的问题及改进方法
虽然多管落球法具有上述诸多优点袁 并且最新引 进 的 ND - 6 型 液 体 黏 滞 系 数 仪 在 封 盖 中 央 已 打 有 小 孔袁 在一定程度上保证了小球能沿管轴下落袁 从而减 小了因小球下落偏离轴线方向引起的误差遥 但近几年 应 用 ND - 6 型 液 体 黏 滞 系 数 仪 测 量 液 体 黏 度 时 的 实 践 情况表明袁 学生真正的实验效果还是不理想袁 实验数 据误差仍然很大遥 通过实践和研究发现袁 产生误差的 主要因素有以下两方面院 2.1 待测液温度的变化
测量液体黏滞系数方法有多种袁常见的有落球法尧 转筒法尧 毛细管法袁 旋转法和毛细管法测量液体黏滞 系数多用在工业场合和精度较高的领域袁 不适合作教 学仪器[5]曰而落球法测量 仪 器其 操作 直 观简 单袁 成本 低袁 被大多数高校的基础物理实验采用遥 用落球法可 以测量黏度较大的透明或半透明液体袁 如蓖麻油尧变 压器油尧 甘油等遥 物理实验教学通常用单管法或多管 法遥
淫 基 金 项 目 院 遵 义 医 学 院 校 级 教 改 项 目 ( XJJG2015 - 02 - 44 ) 遥 作者 简 介 院周洪练渊1976要冤袁女袁贵州遵义人袁硕士袁讲师袁研究方向为物理学理论和实验教学改革遥
Science & Technology Vision 科技视界 1
Science & Technology Vision