实验方式:讲解与演示相结合(50-60分钟),学生实验(150-180分钟)
实验要求:
1. 观察液体的内摩擦现象;
2. 学会用落球法测液体的粘度系数;
3. 掌握基本测量仪器(游标卡尺、螺旋测微器、米尺、秒表等)的用法。
实验仪器:型液体粘度系数测定仪、游标卡尺、螺旋测微器、米尺、秒表、水银温度计、密度计、镊子、小钢球等。
讲解及演示主要内容:
1、实验原理(10分钟)
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(m为小球质量)、液体作用小球的浮力(V是小球体积,ρ是液体密度)和粘滞阻力F(其方向与小球运动方向相反)。如果液体无限深广,在小球下落速度较小情况下,有上式称为斯托克斯公式,其中r是小球的半径;称为液体的粘度,其单位是Pa·s。
小球开始下落时,由于速度尚小,所以阻力也不大;但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,小球作匀速直线运动,由上式可得:
令小球的直径为d,并用代入上式得:其中为小球材料的密度,为小球匀速下落的距离,t为小球下落距离所用的时间。
实验时,待测液体必须盛于圆筒中,故不能满足无限深广的条件,实验证明,若小球沿筒的中心轴线下降,式(2)须作如下改动方能符合实际情况:其中D为圆筒内径。
2、实验内容和步骤(20分钟)
1)调整底盘水平。
2)用螺旋测微器测小钢球的直径,在5个不同方向上测,取其平均值。共测6个小球,记录测量的结果,编号待用。
3) 用游标卡尺从不同位置分别测量6只玻璃圆筒内径D各5次。
4)用米尺测出与的间距。
5)用温度计测量油温,在全部小球下落完后再测量一次油温,取平均值作为实际油温。
6)用镊子夹起小钢球,先将小球在待测油中浸一下,使其表面完全被所测油浸润,然后释放小球,使其沿圆筒的中心轴线下落。用秒表记录小球通过、所用的时间t。
3、操作中的注意事项 (操作规范要重点强调)
1)实验时,油中应无气泡。
2) 因为油的粘度随温度改变会发生显著变化,因此,实验中不要用手捧摸圆筒,以尽力保证实验中油温恒定。每次实验结束时,应随时记录油的温度。
3)小球放入时应轻而稳,不要使小球上附着气泡,并且小球应沿各圆筒的中心轴线下落。
4)测量时间时,眼睛应与小球处于水平位置。
4、数据处理
1)数据表
3)不确定度分析:
结果表示:
4)作(d/D)-t曲线,在图上求出t轴截距t0,代入公式(2)。
5)将代入公式(2)和公式(3)测出的η值作比较,并与同温度下η值的标准值相对照,分析、讨论误差。
5、思考题:
A. 如何判断小球在作匀速运动?
B. 在特定的液体中,当小球的半径减小时,它的收尾速度如何变化?当小球的密度增大时,又将如何变化?选择不同密度和不同半径的小球做实验时,对结果的影响如何?
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