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落球法测量液体的粘滞系数
一、实验内容:
熟悉斯托克斯定律,掌握用落球法测量液体的粘滞系数的原理和方法。
二、实验仪器:
落球法粘滞系数测定仪、小钢球、蓖麻油、千分尺、激光光电计时仪
三、实验原理:
如图1,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(其方向于小球运动方向相反)。如果液体无限深广,在小球下落速度较小的情况下,有:
(1)
F
f
P
L
H
D

图1 液体的粘滞系数测量装置
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。
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)球体仿佛是在一望无涯的媒质中下降;
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。
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,,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:
(3)
其中为容器的内径,为液柱高度。
四、实验步骤:
1. 调整粘滞系数测量装置及实验仪器
1) 调整底盘水平,在仪器横梁中间部位放重锤部件,调节底盘旋钮,使重锤对准底盘的中心圆点。
2) 将实验架上的两激光器接通电源,并进行调节,使其红色激光束平行对准锤线。
3) 收回重锤部件,将盛有待测液体的量筒放置到实验架底盘中央,并在实验中保持位置不变。
4) 在实验架上放上钢球导管。小球用酒精清洗干净,并用滤纸吸干。
5) 将小球放入钢球导管,看其能否阻挡光线,如不能,则适当调整激光器位置。
2. 用温度计测量油温,在全部小球下落完后再测一次油温,取其平均值。
3. 测量上下两激光束之间的距离。
4. 将小球放入钢球导管,当小球落下,阻挡上面的红色激光束,秒表开始记时,到小球落到阻挡下面的红色激光束时,停止记时,读出下落时间,重复6次。
5. 计算蓖麻油的粘滞系数。
五、数据记录和数据处理
表格一
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