本发明涉及一种液体粘滞系数测量装置及测量方法，更具体的说，尤其涉及一种利用打点计时器进行测速并可保证小球沿液体中心轴线下落的液体粘滞系数测量装置及测量方法。
背景技术：
：在稳定流动的液体中，由于各层流体的不同，相互接触的两层液体之间存在着力的作用，一作用力称为粘滞力。不同液体波层之间粘滞力是不同的，因为它们有不同的粘滞系数。所以，液体粘滞系数的测量就成了大学物理实验当中一个十分重要的课题。测量液体粘滞系数常用的方法有落球法、扭摆法、转筒法和毛细血管法。在实验中，粘滞系数较小的液体，如水，乙醇，四氯化碳等，常用毛细管法；而对于粘滞系数较大的液体，如蓖麻油，甘油等常用落球法或转筒法。落球法中，小球在液体中运动时，将受到与运动方向相反的的摩擦阻力作用，这种阻力即为粘滞力。它是由于粘附在小球表面的液层与邻近液层的摩擦产生的，不是小球与液体之间的摩擦力。如果小球在下落时的速度很小，而且液体是无限广阔的，小球在运动过程中不产生漩涡，根据托克斯定律，小球受到的粘滞阻力为：F=6πηrv（3）式中：η为液体粘滞系数，v为小球下落的速度，r为小球半径。小球落入液体后，受到重力，浮力和粘滞阻力的作用，这些力都作用在铅直方向上。重力向下，浮力和粘滞阻力向上。小球刚落入液体时竖直向下的重力大于竖直向上的浮力和粘滞力之和，于是小球做加速运动。随着小球运动速度的增加，粘滞力也增加，当小球下落速度达到一定大小时，小球所受的合力为零，于是小球匀速下落。由式（3）可得：4/3πr³(ρ-ρ0)g=6πηrv（4）式中：ρ为小球密度；ρ0为液体密度。由上式得：η=2(ρ-ρ0)gr²/9v（5）因为液体是放在容器里，不是无限广延的，若小球沿内半径为R0的圆筒下落，筒内液体高度为h，考虑到容器器壁的影响，则：η=2(ρ-ρ0)gr²/[9v0(1+2.4r/R0)(1+3.3r/h)]=(ρ-ρ0)gd²/[18v0(1+2.4d/2R0)(1+3.3d/2h)](6)式中：d为小球的直径，η的单位为Pa*s。在d<<R0和d<<h的条件下，才能将液体看成无限广延，而得出式（5）。从而能求出液体的粘滞系数。斯托克式公式（3）是根据理想状态（无漩涡）下，流体普遍运动方程导出的。为此，我们需要修正斯托克公式进行修正。修正的结果为：η1=(ρ-ρ0)gd²/[18v0(1+2.4d/2R0)(1+3.3d/2h)]-3ρ0dv0/16=η-3ρ0dv0/16（7）现有落球法测量粘滞系数的装置和方法还存在以下问题和不足，具体如下：小球下落易偏离轴线方向，油筒壁对小球运动影响加大。实验中，要求小球下落时应尽可能沿筒轴线方向，才可能最大限度地减少油筒对小球运动的影响。可是实验中学生靠自测进行估计，往往不能确定轴线方向。而且，取放小球工具不当，会导致小球释放到油筒中时，小球轨迹偏离轴线，从而增加对小球运动状态的影响，产生很大误差，甚至有时由于操作失误，小球不能保证由静止开始下落，下落时带有水平的初速度，这就更造成了许多不必要的误差。在现有的实验中，需要调节实验架上、下两个激光器，对其进行对光处理，这个过程需要小心翼翼，操作起来极为麻烦。当小球刚进入上下两个激光器区域时，我们就认为小球从挡住上激光器开始做匀速运动，这是不准确的，我们并不能确定小球在进入液体后何时开始匀速运动。原有实验仪器只能测量当前室温下液体的粘滞系数，然而在实际生活和科研中，研究同种液体在不同温度下粘滞系数的变化更有意义。。技术实现要素：本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种液体粘滞系数测量装置及测量方法。本发明的液体粘滞系数测量装置，包括支撑台、圆筒、小球和细绳，圆筒中存储有待测液体；其特征在于：支撑台上放置有打点计时器，打点计时器中设置有纸带，支撑台一侧的边缘设置有定滑轮，圆筒以开口朝上的形式固定于定滑轮的下方，圆筒的开口处放置有开口朝下的漏斗，漏斗的轴线与圆筒的轴线在同一条直线上；小球位于漏斗中，细绳的一端与小球固定，另一端穿过漏斗、绕过定滑轮后与纸带相固定。本发明的液体粘滞系数测量装置，圆筒的外围设置有外筒，外筒中存储有对圆筒中的待测液体进行加热和保温的循环水。本发明的液体粘滞系数测量装置，包括对圆筒中待测液体的温度进行调节的温度控制装置，温度控制装置由温度控制仪、加热桶、输入泵、输出泵组成以及设置于圆筒中的温度传感器组成，加热桶中设置有加热器，以便对加热桶中的循环水进行加热；加热桶中的循环水经输入泵抽至外筒中，外筒中的循环水经输出泵抽至加热桶中；温度控制仪通过温度传感器测量圆筒中的水温，通过控制加热器、输入泵、输出泵的开关状态，将圆筒中的被测液体维持在设定温度。本发明的液体粘滞系数测量装置的测量方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：a).设备安放，将打点计时器放置于支撑台上，并将纸带放入打点计时器中；将圆筒放置于定滑轮的下方，漏斗倒扣于圆筒的开口上，并保证漏斗轴线与圆筒轴线在同一直线上，把悬挂小球的细绳绕过定滑轮固定于纸带上；将加热桶上的出口经输入泵与外筒的进水口相连通，外筒上的出水口经输出泵与加热桶上入口相连通；b).下放小球，打开打点计时器，然后释放小球，使小球沿圆筒的中心轴线方向下降；c).计算匀速速度值，待小球下降至圆筒底部后，打开打点计时器取出纸带，识别出小球匀速运动的区域，并读取两打点之间的距离，进而计算出小球做匀速运动时的速度值，设为v0；d).计算粘滞系数，设圆筒内部空腔的半径为R0，圆筒内待测液体的高度为h，小球的密度为ρ、半径为r，待测液体的密度为ρ0；定滑轮的摩擦系数为c；通过公式（1）计算出待测液体的粘滞系数η：η=2(ρ-cρ-ρ0)gr²/[9v0(1+2.4r/R0)(1+3.3r/h)](1)考虑到小球在圆筒中液体下落时存在漩涡现象，利用公式（2）对计算的粘滞系数η进行修正：η1=η-3ρ0dv0/16（2）其中，d为小球的直径，d=2r。本发明的液体粘滞系数测量装置的测量方法，步骤a)中，如需测量液体在特定温度下的粘滞系数，则打开温度控制仪，将温度设定在相应温度，待温度控制仪将圆筒中的液体加热至设定温度后，再进行下一步的测量。本发明的有益效果是：本发明的液体粘滞系数测量装置的测量方法，通过在圆筒上端设置倒扣的漏斗，且漏斗轴线与圆筒轴线在同一直线上，实验时，保证了小球始终沿圆筒的中心轴线下落，使得圆筒壁对小球的影响降到了最低，提高了液体粘滞系数的测量精度。通过打点计时器对小球在液体中的下落过程进行记录，可有效识别出小球在液体中的匀速运动状态，相对于以往采用激光器计量的方法获取的小球运动速度更加精准，进一步保证了液体粘滞系数的测量精度。进一步地，通过设置可对圆筒中液体温度进行调节的温度控制装置，根据需求可将圆筒中的液体加热至设定温度，便于进行不同温度下液体粘滞系数不同的分析实验。附图说明图1为本发明的液体粘滞系数测量装置的结构示意图；图中：1支撑台，2圆筒，3小球，4漏斗，5定滑轮，6细绳，7打点计时器，8纸带，9外筒，10温度控制仪，11输入泵，12输出泵，13加热桶，14加热器，15温度传感器。具体实施方式下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。如图1所示，给出了本发明的液体粘滞系数测量装置的结构示意图，其包括支撑台1、圆筒2、小球3、漏斗4、定滑轮5、细绳6、打点计时器7、纸带8以及温度控制装置，所示的支撑台1起固定和支撑作用，支撑台1距离地面一定高度，打点计时器7放置于支撑台1上，打点计时器7中放置有纸带8，用于记录小球3的运动信息。所示的定滑轮5固定于支撑台1的右侧，圆筒2放置于定滑轮5的下方，漏斗4倒扣于圆筒2的上端。小球3系在细绳6的一端，细绳6穿过漏斗4并绕过定滑轮5后系于纸带8上，在实验前，小球3位于漏斗4所在的高度位置上。漏斗4的中心轴线与圆筒2的中心轴线在同一条直线上，以便小球3下落的过程中，始终沿圆筒2的中心轴线方向下落，使圆筒2的内壁对小球3运动的影响降到了最低。实验过程中，待小球3落至2的底部后，通过识别纸带8上的打点间距，即可识别出小球3在液体中的匀速运动时间段，根据打点间距即可计算出小球3在液体中匀速运动时的速度。与以往采用两个激光器识别小球出现时间点相比，可识别出小球3的匀速运动时间段，将刚进入液体中的加速下落过程排出在外，使得速度测量更加精准。本发明的液体粘滞系数测量装置的测量方法，通过以下步骤来实现：a).设备安放，将打点计时器放置于支撑台上，并将纸带放入打点计时器中；将圆筒放置于定滑轮的下方，漏斗倒扣于圆筒的开口上，并保证漏斗轴线与圆筒轴线在同一直线上，把悬挂小球的细绳绕过定滑轮固定于纸带上；将加热桶上的出口经输入泵与外筒的进水口相连通，外筒上的出水口经输出泵与加热桶上入口相连通；b).下放小球，打开打点计时器，然后释放小球，使小球沿圆筒的中心轴线方向下降；c).计算匀速速度值，待小球下降至圆筒底部后，打开打点计时器取出纸带，识别出小球匀速运动的区域，并读取两打点之间的距离，进而计算出小球做匀速运动时的速度值，设为v0；d).计算粘滞系数，设圆筒内部空腔的半径为R0，圆筒内待测液体的高度为h，小球的密度为ρ、半径为r，待测液体的密度为ρ0；定滑轮的摩擦系数为c；通过公式（1）计算出待测液体的粘滞系数η：η=2(ρ-cρ-ρ0)gr²/[9v0(1+2.4r/R0)(1+3.3r/h)](1)考虑到小球在圆筒中液体下落时存在漩涡现象，利用公式（2）对计算的粘滞系数η进行修正：η1=η-3ρ0dv0/16（2）其中，d为小球的直径，d=2r。步骤a)中，如需测量液体在特定温度下的粘滞系数，则打开温度控制仪，将温度设定在相应温度，待温度控制仪将圆筒中的液体加热至设定温度后，再进行下一步的测量。对比试验：试验中，液体密度ρ0=9.54*10²kg/m³，小球密度ρ=7.74*10³kg/m³，圆筒半径R0=3.3cm，圆筒中液体（油）的高度h=35cm，小球半径r=0.3cm。作为参照组，利用激光光电门与电子计时仪器测量小球的匀速运动速度的实验数据如表1所示：表1次数123456时常（s）0.8100.8050.8370.8060.8210.835两个激光灯之间的距离L=10cm。对以上数据进行处理：时间t的值取6次平均数，即t=0.819s。所以可求得η=0.738Pa*s，修正后η1=0.608Pa*s。此时实验室温度为30℃，无风。该条件下液体的粘滞系数标准值为0.55Pa*s，上面结果的的误差为10.5%。采用本发明的试验装置进行试验，液体、小球均相同，定滑轮的摩擦系数c=0.6。通过对纸带进行分析，5个点为一个计时点，测得相邻段都相等的部分两个计时点间的距离为0.5cm，进而计算出小球做匀速运动的速度大小为V0=0.05m/s。小球在运动的过程中还受滑轮摩擦力的影响，故对小球进行受力分析可得出以下结论：[4πr3ρ（g-cg）]/3-4πr³ρ0g/3=6πηrv（8）因为液体是放在容器里，不是无限广延的，考虑到容器器壁的影响，则通过公式（1）计算出液体的粘滞系数：η=2(ρ-cρ-ρ0)gr²/[9v0(1+2.4r/R0)(1+3.3r/h)](1)将数据代入公式（1）得到液体的粘滞系数η=0.600Pa*s。考虑到小球在圆筒中液体下落时存在漩涡现象，利用公式（2）对计算的粘滞系数η进行修正：η1=η-3ρ0dv0/16（2）其中，d为小球的直径，得到η=0.546Pa*s。此条件下液体的粘滞系数标准值为0.55Pa*s，上面结果的误差为0.72%，通过对上述数据的比较和分析，我们认为:(1)当改进后的实验和原始实验在同一外部环境下进行时，由结果可以看出，改进后的测量结果误差要比原始实验的测量结果误差低9个百分点，可以说明使用打点计时器测量小球的速度和使用去顶漏斗对小球进行中轴线控制对液体粘滞力的测量有很大的影响。通过以上分析，我们对这个实验的改进可以较明显的提高测量精度，减小测量误差的产生。（2）我们在改进的实验中使用打点计时器，在实验前期准备的过程中，省去了学生需要对光的繁琐过程。另外，使用去顶漏斗，很容易的控制了小球从中轴线下落，且精度很高。（3）通过对实验仪器增加控温装置，我们做到了测量不同温度下液体的粘滞系数。这对实际生活和科研都有很大的帮助。本发明的液体粘滞系数测量装置，不仅提高了试验精度和减小实验过程中一些复杂繁琐的过程，还让我们领会到了温度对液体粘滞系数产生的影响。当前第1页1 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