用转筒法和落球法测液体的黏度实验报告

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1、用转筒法和落球法测液体的黏度实验简介在我们的周围存在着各种各样的摩擦现象。我们能走路、坐定和工作，都离 不开摩擦。摩擦是普遍存在的。潺潺的流水里，甚至连能自由流动的空气里也存在 着摩擦。人们把流体体内的摩擦也称为黏滞性。物理学上用黏度n （单位为帕秒 Pas）来表示流体粘滞性的大小，它决定于液体的性质和温度。实际上，所有流 体都有不同程度的粘滞性，而且对于大多数液体,，随温度的上升而下降。本实验采用转筒法和落球法测量甘油液体的黏度。实验原理1、用转筒法测量液体的黏度1）液体内摩擦定律在稳定流动的液体中，如果各层液体的流速不同，那么相邻两层液体的接 触面上会形成一对阻碍两液层相对运动的等值反向的

2、相互作用力，这一对力称 为内摩擦力（即黏滞力）。实验证明，内摩擦力F除了与两液层间的接触面积S成正比外，还与该处的 速度梯度dv/dt成正比，如图所示，即F利S（dv/dr），其中n为液体的黏度。2）用转筒法测量液体的黏度仪器装置如下图所示，这是一个用来盛放液体的外筒F和一个与外筒同轴 的内筒C所组成。圆轮K与内筒C相固定，半径为r,上绕有细线，通过滑轮E, 与砝码盘相连接。当砝码盘下落时可带动内筒C绕轴AB旋转。外筒F的内径为 b,内筒C的半径为a,两者数值相差很小，所以内筒C被液体所浸润的侧面积 与外筒内壁面积相近。外筒F底部与内筒C底部间隔较大，实验中略去该部分摩 擦力的影响，并且由于加

3、入液体时不使其超过上端部，故上端部与空气的摩擦 作用也略去。因此，柱体所受的阻力绝大部分来自侧面。图 2转筒结构图本实验中，内筒C旋转，紧靠内筒表面的液体也随之旋转。在稳定状态下, 紧靠内筒表面层液体速度应与内筒旋转速度相同，均为。由于液体的黏性，在 内、外筒间隙中的液体逐渐形成一速度梯度。在内筒匀速旋转的一段时间内， 可以认为外筒的内表面层液体的移动速度为零。这样，内、外筒间隙中的速度 梯度值为v/(b-a)。此时，作用在圆轮上的拉力等于砝码的重力。若内筒侧面 作用在紧靠该表面液体层上的力的大小为F,则有如下关系式mgr=Fa即内筒的侧面积为F=mgraS=2nah于是，根据流动液体内摩擦力

4、公式F二nS(Av/Ar)，可求出黏度n为 mgr可m,qr(ba)n=-2 nah2nh-va 2b a式中，速度值v可在实验中用下述方法求得：使砝码由静止下落，选取其匀速下 降部分，测量此时下落高厠及其相应的时间t,利用匀速运动公式，得H=v0t，u0为砝码下降的速率，也是内筒上圆轮K边缘的线速度，所以0/t= v/a, 即a aHv= -Vn= r 0rt得黏度n的计算公式为mgr2（b a ）t n=2nhHa32、用落球法测量液体的黏度当小球在液体中运动时，见下图，将受到与运动方向相反的摩擦阻力的作用这 种阻力即为黏滞力。它是由于粘附在小球表面的液层与邻近液层的摩擦而产生的 当小球在

5、均匀、无限深广的液体中运动时，若速度不大，球的体积也很小，则根据 斯托克斯定律，小球受到的黏滞力为F=6nnvr式中，n为液体的黏度，v为小球下落的速度，r为小球半径。上标袋液面液怵穽器filter下标找图 3 小球下落示意图当小球在液体中下落时，作用在小球上的力有重力pgv,浮力p0gV和黏滞力 6nnvr,其中p和p0分别是小球和液体的密度，V是小球的体积，三个力都在竖直 方向，重力向下，浮力和黏滞力向上。当小球刚开始下落时，重力大于浮力和黏滞 力之和，小球向下做加速运动。随着速度的增加，黏滞力逐渐加大，当速度达到一 定值时，作用在小球上的各个力达到平衡，于是小球匀速下落，即pgV=p 0

6、gV+6 mjvr4 d 23 兀(2)(pp 0)9=3 砂d式中d为小球直径，则(pp 0)gd2n= 18v上式适用于小球在无限深广的液体内运动的情况。考虑到器壁对小球运动的 影响，实验中要注意使小球以初速度为零沿轴线位置下落。如上图所示，射小球 下落的距离为L，小球通过距离为L所用的时间为t，则1 (p p0)gd2tn= 181实验内容1、用转筒法测量液体的黏度(1) 砝码选用 40.0g、60.0g、80.0g 三种。(2) 测量砝码下落高度H所需要的时间t (H在实验过程中不允许修改)。 每种砝码要重复测量3次下落的时间t,取平均值。(3) 将测量数据填入数据表格。2、用落球法测

7、量液体的黏度(1) 用米尺测量小球匀速运动路程的上、下标记间的距离L(L在实验过程 中不允许修改)。(2) 用秒表分别测量直径 d=2.000mm 和 d=1.500mm 的小球下落 L 所需要 的时间t,重复测量6次，取平均值。（3）将测量数据填入数据表格。实验仪器液体黏度计、砝码、秒表、米尺、被测液-体机油、盛待测液体的玻璃量筒 小钢球、镊子、吸铁石。1、液体黏度计 液体黏度计是一个用来盛放液体的外筒和一个与外筒同轴的内筒所组成，实 验中砝码盘带动内筒转动。实际图片仿真图片大视图操作提示：（1）在主场景中，该仪器不可以拖动，不可以删除。（2）双击场景中黏度计，打开黏度计大视图。（3）固定按

8、钮：用来固定转盘的按钮。1）在大视图中点击按钮，可以改变按钮弹起、按下状态。按钮弹起，转盘 转动，按钮按下，转盘固定。2）固定按钮弹起时，才可以进行绕线操作。3）砝码盘下落过程，不允许将按钮按下。（4）转盘：转盘转动，带动砝码盘上升、下降1）固定按钮弹起时，点击转盘，砝码盘上升。2）松开砝码盘，若很快按下固定按钮，转盘不转动，砝码盘位置不下降。3）松开砝码盘，若未按下固定按钮，转盘转动，砝码盘下落。4）砝码盘下落过程，不允许点击转盘。2、砝码盘实验中提供作用在定滑轮上的外力。实际图片 仿真图片大视图操作提示：（1）在主场景中，该仪器不可以拖动，不可以删除。（2）转盘转动（绕线）时，场景中砝码盘

9、上升。松开转盘（固定按钮弹起） 时，砝码盘下落。（3）双击场景中砝码盘，打开大视图。有三个砝码，每个质量为0g,砝码 盘质量20g。默认砝码盘上无砝码。4）增加砝码按钮：点击按钮，砝码盘上砝码数量增加。5）减少砝码按钮：点击按钮，砝码盘上砝码数量减少。3、秒表实验用于记录砝码、小球在计时区间内的下落时间。实物图片n大视图操作提示：（1）在主场景中，该仪器可以拖动，不可以删除。（2）双击场景中秒表，打开秒表大视图。（3）开始/暂停键：点击该键，秒表开始计时。再次点击，计时暂停。（4）清零键：点击该键，清零秒表的计时。（5）砝码/小球在进入有效计时区间时，秒表开始计时。离开计时区间时 秒表结束计时

10、。计时过程中，清零或开始/暂停键不起作用。4、米尺（转筒法）仿真照片实际照片大视图操作提示：（1）在主场景中，该仪器不可以拖动，不可以删除。（2）双击场景中米尺，打开米尺大视图。（3）大视图中有起始位置、开始计时、结束计时三个标签。起始位置固定 为70.0 cm,为保证数据准确性，实验时需要将砝码盘位置上升到70.0 cm以上。（4）大视图中可以拖动开始计时、结束计时标签的位置。实验时，“开始计 时”和“起始位置”的距离需要大于15 m。 “结束计时”和“开始计时”的距离需要大 于 45 厘米。（5）砝码盘在“开始计时”和“结束计时”区间内，秒表自动计时。5、玻璃量筒 实验中用于盛放甘油，模拟

11、无限深广的液体环境。实际仪器仿真仪器大视图操作提示：（1）在主场景中，该仪器不可以拖动，不可以删除。（2）双击场景中玻璃量筒，打开玻璃量筒大视图。（3）场景中未将米尺移到量筒右侧时，大视图不显示米尺（上图左。）此时， 不能进行投放小球操作。将米尺移到量筒右侧时，大视图显示米尺（上图右）和 三个标签。（4）液面高度标签：固定为35.28 cm,不能拖动。（5）开始高度标签：鼠标可拖动改变该标签高度。为保证数据准确，实验 时要求“开始高度”和“液面高度”距离大于 10厘米。（6）结束高度标签：鼠标可拖动改变该标签高度。为保证数据准确,实验 时要求“开始高度”和“结束高度”距离大于 20厘米。（7）

12、小球在下落过程,不允许改变“开始高度”、“结束高度”的位置。6、米尺（落球法）仿真图片操作提示：1）在主场景中,该仪器可以拖动,不可以删除。（2）没有调节大视图。（3）实验时，在大场景中，需要将米尺拖动，竖立在米尺右侧，以测量小 球下落距离。7、砝码盒盛放钢球的盒子，钢球直径有 1.500mm 和 2.000mm 两种。LSmm仿真图片操作提示：（1）砝码盒不允许拖动，不允许删除。（2）没有调节大视图。（3）实验时，使用镊子，可以从砝码盒中夹取不同直径的钢球8、磁铁操作提示：1） 磁铁可以拖动，不允许删除。2）没有调节大视图。3）实验时，拖动磁铁到玻璃量筒底部，可以将量筒底部的钢球吸气。沿着玻

13、璃量筒往上移动磁铁至量筒上边缘时，钢球自动回到砝码盒中。移动到这个 位置时默 认钢球己被 取回確码盒个筒被住 动,部餓移位底吸llXCrnl（4） 钢球下落过程，不允许拖动吸铁石。9、镊子用来夹取小球的设备。仿真仪器操作提示：（1）镊子可以拖动，不允许删除。（2）没有调节大视图。（3）拖动镊子至盛放 2mm 钢球的砝码盒处，镊子自动夹住盒内的小球。4）拖动镊子至盛放 1.5mm 钢球的砝码盒处，镊子自动夹住盒内的小球。（5） 小球下落过程中，不允许用镊子夹取小球。（6）镊子上有小球时，镊子经过砝码盒时，不改变镊子上小球质量。实验指导实验重点及难点：1. 加深对液体内摩擦定律的理解。2. 学会用

14、转筒法测量液体的黏度。3. 加深了解温度对液体黏度的影响。4. 进一步学习不等精度测量的数据处理方法。辅助功能介绍 界面的右上角的功能显示框:当在普通做实验状态下，显示实验实际用时、记 录数据按钮、结束实验按钮、注意事项按钮；在考试状态下，显示考试所剩时间 的倒计时、记录数据按钮、结束考试按钮、显示试卷按钮（考试状态下显示）、 注意事项按钮。右上角工具箱:各种使用工具，如计算器等。右上角help和关闭按钮：help可以打开帮助文件，关闭按钮功能就是关闭 实验。实验仪器栏:存放实验所需的仪器，可以点击其中的仪器拖放至桌面，鼠标 触及到仪器，实验仪器栏会显示仪器的相关信息；仪器使用完后，则不允许拖

15、 动仪器栏中的仪器了。提示信息栏:显示实验过程中的仪器信息，实验内容信息，仪器功能按钮信息 等相关信息，按F1键可以获得更多帮助信息。实验状态辅助栏:显示实验名称和实验内容信息（多个实验内容依次列出），当 前实验内容显示为红色，其他实验内容为蓝色；可以通过单击实验内容进行实验 内容之间的切换。切换至新的实验内容后，实验桌上的仪器会重新按照当前实验内 容进行初始化。实验操作方法主窗体介绍成功进入实验场景后，实验场景主窗体如下图所示落球法测液体的黏度实验场景转筒法测液体的黏度实验场景一、转筒法测液体的黏度实验指导1、双击场景中米尺，打开米尺大视图，调节开始计时、结束计时为合适位 置。点击数据表格中

16、“确认按钮”，保存状态。实验过程不允许再调整计时位置。）曲勺HFSESAHK. l-对尊下斗BfEgHafL.说 科:丹!LEWSgH : j：JUSftn . b=DH5K-m t =1He. . rrfJJLnm . qlHJnil-JJ 呵顽歸曲i ras 剖仲工sarati- 不:=阳沁血酬同:(11盘和严吕一展flz*x三咦4JM口昌转g Sftj騙*护蒼F砒片周.曲下.2、双击场景中砝码盘，在砝码盘大视图中，向砝码盘上增加一个砝码。3、打开黏度计大视图，将固定按钮弹起，点击转盘，进行绕线操作，将砝码盘提到 70.0 厘米之上。按下固定按钮，固定转盘。4、打开秒表大视图5、弹起固定按

17、钮，测量并记录砝码下落时间。6、将秒表清零。重复步骤（2）（5），测量最少三次。7、参照上述步骤，依次测量砝码质量为Og、80g时，相距计时区间内，砝码下 落的时间，并记录到数据表格。二、落球法测液体的黏度实验指导1、拖动场景中米尺至量筒右侧。2、在玻璃量筒大视图中调节开始、结束高度，点击数据表格“中确认按钮”，保存 状态。实验过程不允许再调整计时高度。3、打开秒表大视图，准备计时。4、测量直径 2.000mm 小球的下落时间。1) 拖动镊子至盛放 2.0mm 钢球的砝码盒处，夹取钢球。2)沁:拖动钢球至玻璃量筒处，松开鼠标，钢球下落。5、测量钢球下落时间6、参照步骤3、4、5，重复测量大、小钢球下落时间。记录到数据表格，计 算液体黏度系数。7、拖动吸铁石，将钢球从量筒底部取出。8、结束实验。思考题1、为了做好本实验，应特别注意哪几点？2、若将筒内油温升高一些，对测定结果有何影响？3、试举例说明哪些实验是不等精度测量？参考资料大学物理实验教程 何志巍 朱世秋 普通高等教育“十一五”国家级规划教材