技术领域本发明涉及一种物理实验装置与方法，具体地指塔式管测量广延液体小球收尾速度的实验装置与方法。
背景技术：
液体粘滞系数对工农业、水利工程、医疗诊断等领域有着重要意义，实验室中对粘滞系数较大的液体常采用落球法测量其粘滞系数，落球法直观简便，是大学物理的基础实验。落球法以静止液体中缓缓下落的小球受到的重力、浮力、粘滞阻力的平衡关系，求得小球受到的粘滞阻力，测量小球下落的收尾速度，进而通过斯托克斯公式求得液体粘滞系数。落球法所依托的斯托克斯公式是以小球直径很小，液体是无限边界为前提的。因此，在实验中我们通常需要对结果进行修正，以近似得到广延边界液体环境下的收尾速度。现有的实验方法是通过在不同直径的试管内重复进行落球实验，分析不同直径试管对应的收尾速度与d/D(小球直径与试管直径比值)的关系，进而确定广延液体条件下的粘滞系数修正因子。以上方法原理明确，便于学生理解，但实验过程繁琐，且受到实验初始条件的改变和多次实验操作引起的误差影响，现实中学生得到的实验数据离散性大，测量结果精度不高。
技术实现要素：
本发明提供了一种塔式管测量广延液体小球收尾速度的实验装置与方法，该装置和方法可以快速准确地完成广延液体小球收尾速度的实验测量。为实现上述目的，本发明提供的一种塔式管测量广延液体小球收尾速度的实验装置，包括：塔式管、左立柱、激光发生器、右立柱、激光接收器、底座、调平螺钉、激光计时器、小球。所述实验小球为钢质小球，直径d在1～2mm之间。所述塔式管为塔形、均匀壁厚、刚性、透明的中空管，垂直安装在底座中心点，塔式管由1个首段、b个中间段、b+1个过渡段、1个尾段共2b+3个管段组成，其中b≥1；所述首段内径为D1(20～30mm)；所述各中间段的高度相同，均为L1(L1不小于20cm)；所述塔式管的首段、各中间段、尾段由上至下管径D1、D2……Dn依次等差增大，内径公差为a(10～20mm)；首段与尾段高度相同为L，且L大于L1(L-L1≥50mm)；所述过渡段为空心圆台体，连接于首段、各中间段、尾段等管段之间，其上下截面内径分别与所连接的管段内径相同，各过渡段高度L2相同，且不小于内径公差a。所述底座设有调平螺钉，用于调整底座水平。所述左立柱、右立柱为刚性杆，均垂直固定在底座上，对称布置在塔式管两侧。所述激光发生器和激光接收器数量相等，均为2b+4个，分别对称布置在左立柱与右立柱。且最上部的激光发生器与其下部紧邻的激光发生器距离为L1；最下部激光发生器与其上部紧邻的激光发生器距离为L1，与底座距离为L-L1。其余激光发生器均设置在塔式管首段、各中间段、过渡段、尾段之间的连接线所在的水平面与左立柱交点处。所述激光接收器安装于右立柱上，与左立柱上的激光发生器沿塔式管竖向中心线对称布置。所述激光发生器与激光接收器均连接于外部的激光计时器，通过激光计时器读取实验小球经过激光发生器和激光接收器所在水平线的时间。实验时塔式管内部注满实验液体，所述实验液体密度小于小球平均密度。本发明所述实验方法包括如下步骤：(1)调整调平螺钉使底座水平，在实验液体液面处释放直径为d的钢质小球，通过激光计时器，记录小球通过各激光发生器的时间t；(2)根据各激光发生器间距和小球通过时间，计算小球通过塔式管首段、各中间段、尾段速度v；(3)将塔式管倒置安装在底座上，重复实验步骤1，重新得到小球通过各激光发生器的时间t`；(4)根据各激光发生器间距和小球通过时间，得到倒置塔式管时，小球通过塔式管尾段、各中间段、首段速度v`；(5)以速度为纵轴，小球直径和塔式管各管段内径比值d/Dn为横轴，建立坐标系，绘制速度v及v`与d/Dn的数值点(d/Dn，v)和(d/Dn，v`)，将两次实验得到的各数值点分别拟合为直线，得到其在纵轴v上的截距vt与vt`，取二者平均值(vt+vt`)/2，即为广延液体环境下的小球收尾速度。本发明所述实验装置用过渡段将不同内径的管段连接起来形成一个塔式管，实现了不同收尾速度的内部变化，在一组实验中得到了不同管径的实验试管对应的多种收尾速度，避免了多次重复实验研究，提高了实验效率；同时，也减少了因为多次实验操作引起的误差和外部环境的改变对实验数据的影响，提高了实验结果精度。本发明所述实验方法通过对不同管径对应的平衡速度进行拟合得到对应的速度与小球直径/管径比值的关系曲线，通过该曲线在竖轴上的截距近似获得广延液体环境下的小球收尾速度；所述实验方法还通过倒置塔式管重复进行实验，逆向获得了小球从大直径管段到小直径管段的收尾速度数据，通过与正向布置的塔式管实验数据比较处理，有效地提高了实验数据的准确性。附图说明图1是本发明所述塔式管落球实验示意图；图2是本发明所述塔式管示意图；图3是本发明所述倒置塔式管落球实验示意图；图4是本发明所述实验方法收尾速度计算图。图中：1、塔式管；2、左立柱；3、右立柱；4、激光发生器；5、激光接收器；6、底座；7、调平螺钉；8、小球；9、实验液体；10、激光计时器；1.1、首段；1.2、过渡段；1.3、中间段；1.4、尾段。具体实施方式下面结合附图和一个具体实施例对本发明作进一步的说明。如图1所示，为本发明所述塔式管测量广延液体小球收尾速度的实验装置，进行落球实验的示意图。如图1所示，塔式管1垂直安装在底座6的中间，底座6设置有多个调平螺钉7。左立柱2与右立柱3垂直固定于底座6上，左立柱2靠近塔式管1的一侧布置有8个激光发生器4，右立柱3上的激光接收器5与激光发生器4沿塔式管1的竖向中心轴对称分布。其中，激光发生器4最上部的一个和最下部的一个与其相邻的激光发生器距离均为L1＝300mm。其余6个激光发生器4均布置在塔式管首段1.1、过渡段1.2、中间段1.3、尾段1.4连接线所在的水平面上。右立柱3上的激光接收器5与左立柱2上的激光发生器4沿塔式管1的竖向中心线对称布置。如图1所示，塔式管1内注满实验液体9。本实施例所采用的小球8为表面光滑的钢质小球，直径d为1mm。如图2所示，塔式管1为一个塔形的均匀壁厚有机玻璃空心管，由一个高为L＝350mm的首段1.1、三个高为L2＝20mm的过渡段1.2、两个高为L1＝300mm的中间段1.3和一个高为L＝350mm的尾段1.4交替相连组成，其中，首段1.1、中间段1.3、尾段1.4均为均匀壁厚的空心圆柱，由上至下内径呈等差增大，本实施例中内径公差a为20mm，过渡段1.2为均匀壁厚的空心圆台。如图2所示，在本实施例中首段1.1的内径D1＝30mm，其下的两个中间段1.3的内径D2、D3依次为50mm和70mm，尾段1.4的内径为D4为90mm。三个过渡段1.2分别连接在首段1.1、两个中间段1.3、尾段1.4之间。如图3所示，为塔式管1倒置后的落球实验示意图，此时，相对于图1的实验过程塔式管1上下倒置。在进行广延液体小球收尾速度实验时，本发明采用如下方法：(1)采用如图1所示的实验装置，调整调平螺钉7使底座6水平，开启外部电源，在实验液体9的液面中心处释放小球8；通过激光计时器10，记录小球8通过激光发生器4与激光接收器5的时间，得到小球8通过首段1.1、两个中间段1.3、尾段1.4的时间分别为t1、t2、t3、t4；(2)计算得到小球8在首段1.1、两个中间段1.3、尾段1.4的收尾速度分别为v1＝L1/t1、v2＝L1/t2、v3＝L1/t3、v4＝L1/t4；(3)如图3所示，将塔式管1倒置过来安装在底座6上，重复前述实验步骤1，得到小球8通过尾段1.4、两个中间段1.3、首段1.1的时间分别为t1`、t2`、t3`、t4`；(4)计算得到步骤2得到逆向布置塔式管时，小球8在尾段1.4、两个中间段1.3、首段1.1的收尾速度分别为v1`＝L1/t1`、v2`＝L1/t2`、v3`＝L1/t3`、v4`＝L1/t4`；(5)如图4所示，以速度v为纵轴，小球直径d和塔式管各管段内径Dn的比值d/Dn为横轴，将两组数值点(d/D1，v1)、(d/D2，v2)、(d/D3，v3)、(d/D4，v4)以及(d/D4，v1`)、(d/D3，v2`)、(d/D2，v3`)、(d/D1，v4`)分别绘制在坐标系中，将两组数值点分别拟合为直线，得到二者与纵轴v上的截距vt与vt`，取二者平均值(vt+vt`)/2，即为广延液体环境下的小球收尾速度。以上实施例仅是本发明所述装置和实验方法的一种应用，并不是对其的限制。本发明所述的实验装置利用设置过渡段实现了不同管径下的收尾速度一次性测量，提高了实验效率；也减少了人员操作和外部环境的对实验数据的影响。本发明所述的实验方法通过正置和倒置塔式管两次实验，获得小球从小直径管段到大直径管段的收尾速度，及小球从大直径管段到小直径管段的收尾速度数据，将两组数据分别拟合取结果的平均值，来获得的广延液体环境下的小球收尾速度，提高了实验的准确性。本发明所述实验装置与方法简单直观，适宜于大学物理实验教学。