FDVMII型落球法液體粘滯系數(shù)測(cè)定儀利用說明(070423修訂)

1、儀器利用說明teachers guidebook fd-vm-ii 落球法液體粘滯系數(shù)測(cè)定儀shanghai fudan tianxin scientific_education instruments co.,ltd. fd-vm-ii 型 落球法液體粘滯系數(shù)測(cè)定儀利用說明一、概述液體粘滯系數(shù)又稱液體粘度，是液體的重要性質(zhì)之一，在工程、生產(chǎn)技術(shù)及醫(yī)學(xué)方面有著重要的應(yīng)用。采納落球法測(cè)量液體粘滯系數(shù)，物理現(xiàn)象明顯，概念清楚，實(shí)驗(yàn)操作和訓(xùn)練內(nèi)容較多，超級(jí)適合大學(xué)一、二年級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)；但以往此方式由于受手工按秒表、視差及小球下落偏離中心等因素阻礙， 測(cè)量下落速度準(zhǔn)確度不高。由復(fù)旦大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心與

2、本公司聯(lián)合研制的fd-vm-型落球法液體粘滯系數(shù)測(cè)定儀具有以下優(yōu)勢(shì)：1用激光光電傳感器結(jié)合單片機(jī)計(jì)時(shí)，克服人工秒表計(jì)時(shí)的視差和反映誤差，測(cè)量小球下落速度的準(zhǔn)確度高，引導(dǎo)學(xué)生把握一種新型計(jì)時(shí)、測(cè)速、計(jì)數(shù)的方式。2設(shè)計(jì)底盤水平和立桿垂直調(diào)劑裝置及橫梁中心小球下落引導(dǎo)管，保證小球從量筒中心下落。3兩個(gè)嚴(yán)格平行的激光束，不僅能夠精準(zhǔn)測(cè)量下落時(shí)刻，而且能夠精準(zhǔn)測(cè)量下落距離。用手工計(jì)時(shí)，激光照明測(cè)距，可排除視差，便于兩種計(jì)時(shí)方式的比較和誤差分析。本儀器既保留原實(shí)驗(yàn)裝置的操作和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，又增加了激光光電計(jì)時(shí)器的原理及利用方式，擴(kuò)大了知識(shí)面，提高了測(cè)量精準(zhǔn)度，表現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)代化。本儀器可用于高等院校、中專

3、的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)研究性實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)。二、儀器簡(jiǎn)介落球法液體粘滯系數(shù)測(cè)定儀實(shí)驗(yàn)裝置如以下圖所示：圖 1 落球法液體粘滯系數(shù)測(cè)定儀實(shí)驗(yàn)裝置三、技術(shù)指標(biāo)1. 激光光電開關(guān)在立柱上沿柱移動(dòng)的距離標(biāo)尺量程： 40cm 分度值 1mm 2. 激光光電計(jì)時(shí)器量程分辨率3. 盛待測(cè)液體量筒規(guī)格 1000ml 高度 40cm 4. 直徑 2mm 小鋼珠在液體中下落測(cè)量速度的誤差小于 1% 5. 液體粘滯系數(shù)測(cè)量誤差小于 3% 6. 計(jì)時(shí)器工作電源 ac 22020v 四、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1學(xué)習(xí)用激光光電傳感器測(cè)量時(shí)刻和物體運(yùn)動(dòng)速度的實(shí)驗(yàn)方式2用斯托克斯公式采納落球法測(cè)量油的粘滯系數(shù)（粘度）3觀測(cè)落球法測(cè)量液體粘滯

4、系數(shù)的實(shí)驗(yàn)條件是不是知足，必要時(shí)進(jìn)行修正。五、注意事項(xiàng)1主機(jī)的利用方式1）打開電源開關(guān)，按儀器面板上的復(fù)位鍵，使顯示器顯示初始狀態(tài)：“fd -” 。2）儀器從激光接收器的第一次觸發(fā)（有指示燈和顯示器顯示）開始計(jì)時(shí)（顯示器從0 開始） ，到激光接收器第二次觸發(fā)停止計(jì)時(shí)，現(xiàn)在刻就為小球下降l 距離所花費(fèi)的時(shí)刻。2小鋼珠直徑可用讀數(shù)顯微鏡讀出，也能夠用千分尺測(cè)量，但千分尺必需正確利用，避免將鋼珠（直徑 1mm ）壓扁，而引發(fā)誤差。3測(cè)量液體溫度時(shí)，須用精準(zhǔn)度較高的溫度計(jì)，假設(shè)利用水銀溫度計(jì)，那么必需按時(shí)校準(zhǔn)。4實(shí)驗(yàn)時(shí)，可用手控秒表與激光開關(guān)同時(shí)計(jì)數(shù)，以增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增強(qiáng)動(dòng)手能力及誤差分析的訓(xùn)練。5激

5、光束不能直射人的眼睛，以避免損傷眼睛。落球法測(cè)量液體粘滯系數(shù)（本實(shí)驗(yàn)講義由復(fù)旦大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中心協(xié)助提供）各類實(shí)際液體具有不同程度的粘滯性，當(dāng)液體流動(dòng)時(shí)，平行于流動(dòng)方向的各層流體速度都不相同，即存在著相對(duì)滑動(dòng)，于是在各層之間就有摩擦力產(chǎn)生，這一摩擦力稱為粘滯力，它的方向平行于接觸面，其大小與速度梯度及接觸面積成正比，比例系數(shù)稱為粘度，它是表征液體粘滯性強(qiáng)弱的重要參數(shù)。液體的粘滯性的測(cè)量是超級(jí)重要的，例如，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)覺，許多心血管疾病都與血液粘度的轉(zhuǎn)變有關(guān)，血液粘度的增大會(huì)使流入人體器官和組織的血流量減少，血液流速減緩，令人體處于供血和供氧不足的狀態(tài)，這可能引發(fā)多種心腦血管疾病和其他許多軀體不

6、適病癥。因此，測(cè)量血粘度的大小是檢查人體血液健康的重要標(biāo)志之一。又如，石油在封鎖管道中長距離輸送時(shí)，其輸運(yùn)特性與粘滯性緊密相關(guān)，因此在設(shè)計(jì)管道前，必需測(cè)量被輸石油的粘度。測(cè)量液體粘度有多種方式，本實(shí)驗(yàn)所采納的落球法是一種絕對(duì)法測(cè)量液體的粘度。若是一小球在粘滯液體中鉛直下落，由于附著于球面的液層與周圍其他液層之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此小球受到粘滯阻力，它的大小與小球下落的速度有關(guān)。當(dāng)小球作勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)出小球下落的速度，就能夠夠計(jì)算出液體的粘度?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 學(xué)習(xí)用激光光電傳感器測(cè)量時(shí)刻和物體運(yùn)動(dòng)速度的實(shí)驗(yàn)方式2 用斯托克斯公式采納落球法測(cè)量油的粘滯系數(shù)（粘度）3 觀測(cè)落球法測(cè)量液體粘滯系數(shù)的實(shí)

7、驗(yàn)條件是不是知足，必要時(shí)進(jìn)行修正。【實(shí)驗(yàn)原理】1當(dāng)金屬小球在粘性液體中下落時(shí)，它受到三個(gè)鉛直方向的力：小球的重力mg （m為小球質(zhì)量） 、液體作用于小球的浮力gv（v是小球體積，是液體密度）和粘滯阻力f（其方向與小球運(yùn)動(dòng)方向相反）。若是液體無窮深廣，在小球下落速度v較小情形下，有rvf6（1）上式稱為斯托克斯公式，其中r是小球的半徑；稱為液體的粘度，其單位是spa。小球開始下落時(shí)，由于速度尚小， 因此阻力也不大；但隨著下落速度的增大，阻力也隨之增大。最后，三個(gè)力達(dá)到平穩(wěn)，即vrgvm g6于是，小球作勻速直線運(yùn)動(dòng)，由上式可得：vrgvm6)(令小球的直徑為d，并用36dm，tlv，2dr代入上

8、式得ltgd18)(2（2）其中為小球材料的密度，l為小球勻速下落的距離，t為小球下落l距離所用的時(shí)刻。2實(shí)驗(yàn)時(shí)，待測(cè)液體必需盛于容器中（如圖2 所示），故不能知足無窮深廣的條件，實(shí)驗(yàn)證明，假設(shè)小球沿筒的中心軸線下降，式（2）須做如下改動(dòng)方能符合實(shí)際情形：)6.11)(4.21 (118)(2hdddltgd (3) 其中d為容器內(nèi)徑，h為液柱高度。3實(shí)驗(yàn)時(shí)小球下落速度假設(shè)較大，例如氣溫及油溫較高，鋼珠從油中下落時(shí)，可能顯現(xiàn)湍流情形,使公式（ 1）再也不成立 , 現(xiàn)在要作另一個(gè)修正( 詳見附錄1) ?！緦?shí)驗(yàn)裝置】實(shí)驗(yàn)裝置要緊有：落球法粘滯系數(shù)測(cè)定儀( 參見圖3)、小鋼球、蓖麻油、米尺、千分尺、

9、游標(biāo)卡尺、液體密度計(jì)、電子分析天平、激光光電計(jì)時(shí)儀、溫度計(jì)和比重瓶等。（假設(shè)實(shí)驗(yàn)室給出鋼球材料密度，可沒必要用電子分析天平）dhl1l2圖 1 實(shí)驗(yàn)裝置圖 2 實(shí)驗(yàn)裝置【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1調(diào)整粘滯系數(shù)測(cè)定儀及實(shí)驗(yàn)預(yù)備1）調(diào)整底盤水平，在儀器橫梁中間部位放重錘部件，調(diào)劑底盤旋紐，使重錘對(duì)準(zhǔn)底盤的中心圓點(diǎn)。2）將實(shí)驗(yàn)架上的上、下兩個(gè)激光器接通電源，可看見其發(fā)出紅光。調(diào)劑上、下兩個(gè)激光器，使其紅色激光束平行地對(duì)準(zhǔn)錘線。3）收回重錘部件，將盛有被測(cè)液體的量筒放置到實(shí)驗(yàn)架底盤中央，并在實(shí)驗(yàn)中維持位置不變。4）在實(shí)驗(yàn)架上放上鋼球?qū)Ч?。小球用乙醚、酒精混合液清洗干凈，并用濾紙吸干殘液，備用。5）將小球放入銅質(zhì)球?qū)?/p>

10、管，看其是不是能阻擋光線，假設(shè)不能，那么適當(dāng)調(diào)整激光器位置。2用溫度計(jì)測(cè)量油溫，在全數(shù)小球下落完后再測(cè)量一次油溫，取平均值作為實(shí)際油溫。3用電子分析天平測(cè)量1020 顆小鋼球的質(zhì)量m，用比重瓶法測(cè)其體積，計(jì)算小鋼球的密度。用液體密度計(jì)測(cè)量蓖麻油的密度。用游標(biāo)卡尺測(cè)量筒的內(nèi)徑d，用鋼尺測(cè)量油柱深度h。4用秒表測(cè)量下落小球的勻速運(yùn)動(dòng)速度1）測(cè)量上、下二個(gè)激光束之間的距離。2）用千分尺測(cè)量小球直徑，將小球放入導(dǎo)管，當(dāng)小球落下，阻擋上面的紅色激光束時(shí)，光線受阻，現(xiàn)在用秒表開始計(jì)時(shí)，到小球下落到阻擋下面的紅色激光束時(shí)，計(jì)時(shí)停止，讀出下落時(shí)刻，重復(fù)測(cè)123456激光信號(hào)控制fd-vm-ii 落球法液體粘滯

11、系數(shù)測(cè)定儀激光信號(hào)指示復(fù)位789101112131-導(dǎo)管 ;2-激光發(fā)射器a; 3- 激光發(fā)射器b4-激光接收器a ;5- 激光接收器b;6- 量筒7-主機(jī)后面板;8-電源插座 ;9- 激光信號(hào)控制10- 主機(jī)前面板;11- 計(jì)時(shí)器 ;12- 電源開關(guān)13- 計(jì)時(shí)器復(fù)位端圖2 fd-vm-ii 落球法液體粘滯系數(shù)測(cè)定儀結(jié)構(gòu)圖圖 3 fd-vm-ii 落球法液體粘滯系數(shù)測(cè)定儀結(jié)構(gòu)圖量 6 次以上。最后計(jì)算蓖麻油的粘度。5用激光光電門（關(guān)于光電門，請(qǐng)參閱產(chǎn)品說明書）與電子計(jì)時(shí)儀器代替電子秒表，測(cè)量液體的粘度（注意：激光束必需通過玻璃圓筒中心軸），將測(cè)量結(jié)果與公認(rèn)值進(jìn)行比較。【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】 （注：以下

12、數(shù)據(jù)不作為儀器驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，僅供實(shí)驗(yàn)時(shí)參考）待測(cè)液體是蓖麻油。用激光光電傳感器測(cè)量全程和半程時(shí)刻。油溫=；小球密度=3m3, 油的密度=3m3量筒直徑=；全程距離2s=；近似半程距離1s=。表 1 小球下落平均速度數(shù)據(jù)小球直徑d/mm 半程時(shí)間1t/s 全程時(shí)間2t/s 半程速度1v/1scm全程速度2v/1scm由表 1 中1v和2v的對(duì)照可知， 二者差距很小， 因此，能夠以為小球整個(gè)下落進(jìn)程中為勻速運(yùn)動(dòng)?？紤]到實(shí)驗(yàn)并非是在無窮深廣的情形下進(jìn)行，須對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，即速度v應(yīng)修正為：)2/3. 31)(/4.21 (0hdddvv本實(shí)驗(yàn)中的h=，將d,d,h帶入公式（ 3） ，計(jì)算得=spa，

13、二者相差 %,此結(jié)果已達(dá)到實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度要求。說明：由于液體粘滯與溫度關(guān)系緊密，因此溫度必需測(cè)準(zhǔn)，不然測(cè)量結(jié)果與公認(rèn)值查出結(jié)果含有必然不同，而=時(shí)，查表3 -圖，得公認(rèn)值=spa【試探題】1如何判定小球在作勻速運(yùn)動(dòng)？2若是碰到待測(cè)液體的值較小，而鋼珠直徑較大，這時(shí)為何須用（5）式計(jì)算？3用激光光電開關(guān)測(cè)量小球下落時(shí)刻的方式測(cè)量液體粘滯系數(shù)有何優(yōu)勢(shì)？【參考文獻(xiàn)】1沈元華、陸申龍，基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn). 北京：高等教育出版社，2003，12 2賈玉潤等 , 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) . 上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1988， 1：142146 . 北京：高等教育出版社，2002 【附錄一】為了判定是不是顯現(xiàn)湍流，可利用流體力學(xué)

14、中一個(gè)重要參數(shù)雷諾數(shù)dvre來判定。 當(dāng)er不很小時(shí)， 式（1）應(yīng)予修正， 但在實(shí)際應(yīng)用落球法時(shí)，小球的運(yùn)動(dòng)可不能處于高雷諾數(shù)狀態(tài)，一樣er值小于 10，故粘滯阻力f 可近似用下式表示：)re108019re1631(62vrf（4）式中表示考慮到此種修正后的粘度。因此，在各力平穩(wěn)時(shí)，并顧及液體邊界阻礙，可得)re108019re1631 (1)23.31)(4 .21 (118)(22hdddltgd=12)re108019re1631(式中即為式（ 3）求得的值，上式又可寫為12)(211aa（5）式中dva163。式（5）的實(shí)際算法如下：先將式（3）算出的值作為方括弧中第二、三項(xiàng)的代入，

15、于是求出答案為1；再將1代入上述第二、三項(xiàng)中，求得2；，因?yàn)榇藘身?xiàng)為修正項(xiàng)，因此用這種方式慢慢逼近可取得最后結(jié)果（若是利用具有貯存代數(shù)公式功能的計(jì)算器，專門快可取得答案）。一樣在測(cè)得數(shù)據(jù)后，可先算出a 和，然后依照a的大小來分析。如a在% 以下（即re很?。驮僖膊磺?；如a在%-10%,能夠只作一級(jí)修正，即不考慮2)(21a項(xiàng)；而a在 10%以上，那么應(yīng)完整地計(jì)算式（5） ?！靖戒浂勘?2 蓖麻油的動(dòng)力粘度溫度 / 0 粘度p/注： 1. 1p(poise)=1(sdgn)/cm2=spa 2. 實(shí)際利用上表時(shí)，請(qǐng)各實(shí)驗(yàn)中心將上表數(shù)據(jù)作圖，畫出滑膩曲線- 圖，以備學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)查閱。蓖麻油粘度與溫度關(guān)系如圖4 所示。上海復(fù)旦天欣科教儀器fd