液体黏度的测定实验报告记录

液体黏度的测定实验报告记录
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物理实验报告
液体黏度的测定
各种实际液体都具有不同程度的黏滞性。

当液体流动时，平行于流动方向的各层流体之间，其速度都不相同，即各层间存在着滑动，于是在层与层之间就有摩擦力产生。

这一摩擦力称为“黏滞力”。

它的方向在接触面内，与流动方向相反，其大小与接触面面积的大小及速度梯度成正比，比例系数称为“黏度”（又称黏滞系数，viscosity ）。

它表征液体黏滞性的强弱，液体黏度与温度有很大关系，测量时必须给出其对应的温度。

在生产上和科学技术上，凡是涉及流体的场合，譬如飞行器的飞行、液体的管道输送、机械的润滑以及金属的熔铸、焊接等，无不需要考虑黏度问题。

测量液体黏度的方法很多，通常有：①管流法。

让待测液体以一定的流量流过已知管径的管道，再测出在一定长度的管道上的压降，算出黏度。

②落球法。

用已知直径的小球从液体中落下，通过下落速度的测量，算出黏度。

③旋转法。

将待测液体放入两个不同直径的同心圆筒中间，一圆筒固定，另一圆筒以已知角速度转动，通过所需力矩的测量，算出黏度。

④奥氏黏度计法。

已知容积的液体，由已知管径的短管中自由流出，通过测量全部液体流出的时间，算出黏度。

本实验基于教学的考虑，所采用的是奥氏黏度计法。

实验一 落球法测量液体黏度
一、【实验目的】
1、了解有关液体黏滞性的知识，学习用落球法测定液体的黏度；
2、掌握读数显微镜的使用方法。

二、【实验原理】
将液体放在两玻璃板之间，下板固定，而对上板施以一水平方向的恒力，使之以速度v 匀速移动。

黏着在上板的一层液体以速度v 移动；黏着于下板的一层液体则静止不动。

液体自上而下，由于层与层之间存在摩擦力的作用，速度快的带动速度慢的，因此各层分别以由大到小的不同速度流动。

它们的速度与它们与下板的距离成正比，越接近上板速度越大。

这种液体流层间的摩擦力称为“黏滞力”（viscosity force ）。

设两板间的距离为x ，板的面积为S 。

因为没有加速度，板间液体的黏滞力等于外作用力，设为f 。

由实验可知，黏滞力f 与面积S 及速度v 成正比，而与距离x 成反比，即
x
v
S
f η= （2-5-1） 式中，比例系数η即为“黏度”。

η的单位是“帕斯卡·秒”（Pa ·s ）或k
g ·m -1·s -1。

某些液体黏度的参考值见附录Ⅰ。

当一个小球在液体中缓慢下落时，它受到三个力的作用：重力、浮力和黏滞力。

如果小球的运动满足下列条件：①在液体中下落时速度很小；②球体积很小；
③液体在各个方向上都是无限宽广的，斯托克斯（S.G..Stokes）指出，这时的黏滞力为
vr
fπη
6
=（2-5-2）式中η为黏度；v为小球下落速度；r为小球半径。

此式即著名的“斯托克斯公式”。

小球下落时，三个力都在竖直方向，重力向下，浮力和黏滞力向上。

由式（2-5-2）知，黏滞力是随小球下落速度的增加而增加的。

显然，如小球从液面下落，开始是加速运动，但当速度达到一定大小时，三个力的合力为零，小球则开始匀速下落。

设这时速度为v，v称为“终极速度”。

此时
rv
g
rπη
ρ
ρ
π6
)
(
3
4
3=
-（2-5-3）式中，ρ为小球密度；ρ0是液体密度。

由此得
v
gr2
)
(
9
2ρ
ρ
η
-
=（2-5-4）
图2-5-1 落球法测定液体黏度所用的容器
我们在实验操作时，并不能完全满足式（2-5-2）所要求的条件。

首先液体不是无限宽广的，是放在如图2-5-1所示的容器中的，因此就不能完全不考虑液体边界的影响。

设圆筒的直径为D，液体的高度为H，小球从圆筒的中心线下落，那么（2-5-4）式应修正为
)
2
3.3
1
)(
4.2
1(
)
(
18
12
H
d
D
d
v
gd
+
+
-
=
ρ
ρ
η
式中，d为小球直径。

由于高度H的影响实际上很小，可以略掉相应的修正项，
又
t
L
v=，L为圆筒上二标线间的距离，t为小球通过距离L所用时间，则上式变为
)
4.2
1(
)
(
18
12
D
d
L
gtd
+
-
=
ρ
ρ
η（2-5-5）
由该式即可计算出黏度η。

另外，在实验观测时式（2-5-2）是否适用，还和其他影响因素有关，对这方面的问题有兴趣的同学请参见附录Ⅱ。

实验二奥氏粘度计测量液体粘滞系数
一、【实验目的】
掌握奥氏粘度计测定液体粘滞系数的原理和方法。

二、【实验仪器】
奥氏粘度计、量筒、烧杯、秒表、移液管、洗耳球、温度计、甘油、水等。

图1 奥氏黏度计
三、【实验原理】
1.由泊肃叶公式可知，当液体在一段水平圆形管道中作稳定流动时，单位时间内流出圆管的液体体积为
L
P
R
Q
η8
4∆
=
π
（1）
式中R 为管道的的截面半径，L 为管道的长度，η为流动液体的粘滞系数，∆P 为管道两端液体的压强差。

如果先测出V 、R 、∆P 、L，则可以求出流量Q。

2.但测量过多容易导致误差偏大，为了避免测量量过多而产生的误差，奥斯瓦尔德设计出一种粘度计（见图1），采用比较法进行测量。

取一种已知粘滞系
数的液体和一种待测粘滞系数的液体，设它们的粘滞系数分别为η
1
和η
2
，令同体积V 的两种液体在同样条件下，由于重力的作用通过奥氏黏度计的毛细管
D
B
，分别测出他们所需的时间t
1
和t
2
，两种液体的密度分别为ρ
1
、ρ
2。

则
V
1
=V
2
，即Q
1
t
1
=Q
2
t
2
则
1
1
1
4
8
t
L
P
R
η
π∆
=
2
2
2
4
8
t
L
P
R
η
π∆
即得 1
12
212t P t P ∆∆=ηη （2）
粘度计两管液面的高度差∆h 随时间连续变化，由于两种液体流过毛细管有同样的过程，则压强比为 2
12121
ρρρρ=∆∆=∆∆h g h g P P （3） 将（3）式代入（2）式，得 11
12
22ηρρηt t =
（4） 故测出等量液体流经D B 的时间t 1和t 2，根据已知数ρ1、ρ2、η1，即可求出待测液体的粘滞系数。

四、【实验内容与步骤】
(1) 用玻璃烧杯盛清水置于桌上待用，并使其温度与室温相同，洗涤黏度计，竖直地夹在试管架上。

(2) 用移液管经黏度计粗管端注入10毫升水。

用洗耳球将水压入细管刻度C 以上，用手指压住细管口，以免液面下降。

(3) 松开手指，液面下降，当夜面下降至刻度C 时，启动秒表，在液面经过刻度D 时停止秒表，记下时间t 1。

(4) 重复步骤(2)、(3)测量10次，取t 1平均值。

(5) 用水清洗黏度计两次。

(6) 取10毫升的酒精作同样实验，求出时间t 2的平均值。

五、【数据记录与处理】 液体
流出液体的时间t
（s ）
平均值-
t （s ） 温度T （℃）
该温度下的密度
ρ（g ·cm -3）
水 t 1 30.8 30.6 T 1 12 ρ1 0.99952
30.6 30.7 30.6 30.7 30.4 酒精 t 2 66.0 60.1 T 2 14 ρ2 0.795
65.8 66.2 66.1 66.3 66.0
T 1=12℃时，1η=1.2363mp ·s 故由公式（4）
11
12
22ηρρηt t =
可3算得酒精的黏度2η=1.9313mp ·s
六、【注意事项】
(1)使用粘度计时要小心，不要同时控住两管，以免折断。

(2) 当粘度计注入水（或稀释甘油）时，不要让气泡进入管内，放置粘度计要求正、直。

(3) 在实验进行过程中，用洗耳球将待测液压入细管时，防止液体被压出粘度计或被吸入洗耳球内。

七、【附上原始数据】。