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寧波市鄞州瑾瑞儀器設(shè)備有限公司
主營產(chǎn)品： 不銹鋼通風(fēng)柜定做,pp通風(fēng)柜定做,布氏硬度計hbc |
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2013-11-8 閱讀(13236)
落球法液體粘滯系數(shù)測定儀
FD-VM-II型 落球法液體粘滯系數(shù)測定儀
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。采用落球法測量液體粘滯系數(shù)，物理現(xiàn)象明顯，概念清晰，實驗操作和訓(xùn)練內(nèi)容較多，非常適合大學(xué)一、二年級實驗教學(xué)；但以往此方法由于受手工按秒表、視差及小球下落偏離中心等因素影響，測量下落速度準(zhǔn)確度不高。由復(fù)旦大學(xué)物理實驗教學(xué)中心與本公司聯(lián)合研制的FD-VM-Ⅱ型落球法液體粘滯系數(shù)測定儀具有以下優(yōu)點：
1．用激光光電傳感器結(jié)合單片機計時，克服人工秒表計時的視差和反應(yīng)誤差，測量小球下落速度的準(zhǔn)確度高，引導(dǎo)學(xué)生掌握一種新型計時、測速、計數(shù)的方法。
2．設(shè)計底盤水平和立桿垂直調(diào)節(jié)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。
3．兩個嚴(yán)格平行的激光束，不僅可以測量下落時間，而且可以測量下落距離。用手工計時，激光照明測距，可消除視差，便于兩種計時方法的比較和誤差分析。
本儀器既保留原實驗裝置的操作和實驗內(nèi)容，又增加了激光光電計時器的原理及使用方法，擴大了知識面，提高了測量度，體現(xiàn)了實驗教學(xué)的現(xiàn)代化。 本儀器可用于高等院校、中專的基礎(chǔ)物理實驗和設(shè)計研究性實驗、演示實驗。
二、儀器簡介
實驗裝置如下圖所示：
圖1 實驗裝置
三、技術(shù)指標(biāo)
1.激光光電開關(guān)在立柱上沿柱移動的距離標(biāo)尺量程： 40cm 分度值 1mm
2.激光光電計時器量程 99.99s 分辨率0.01s
3.盛待測液體量筒規(guī)格 1000mL 高度40cm
4.直徑2mm小鋼珠在液體中下落測量速度的誤差 小于1%
5.液體粘滯系數(shù)測量誤差 小于3%
6.計時器工作電源 AC 220±20V
四、實驗項目
1．學(xué)習(xí)用激光光電傳感器測量時間和物體運動速度的實驗方法
2．用斯托克斯公式采用落球法測量油的粘滯系數(shù)（粘度）
3．觀測落球法測量液體粘滯系數(shù)的實驗條件是否滿足，必要時進行修正。
五、注意事項
1．主機的使用方法
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*次觸發(fā)（有指示燈和顯示器顯示）開始計時（顯示器從0開始），到激光接收器第二次觸發(fā)停止計時，此時間就為小球下降L距離所花費的時間。
2．小鋼珠直徑可用讀數(shù)顯微鏡讀出，也可以用千分尺測量，但千分尺必須正確使用，防止將鋼珠（直徑1mm）壓扁，而引起誤差。
3．測量液體溫度時，須用度較高的溫度計，若使用水銀溫度計，則必須定時校準(zhǔn)。
4．實驗時，可用手控秒表與激光開關(guān)同時計數(shù)，以增加實驗內(nèi)容，增強動手能力及誤差分析的訓(xùn)練。
5．激光束不能直射人的眼睛，以免損傷眼睛。
落球法測量液體粘滯系數(shù)
（本實驗講義由復(fù)旦大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗中心協(xié)助提供）
各種實際液體具有不同程度的粘滯性，當(dāng)液體流動時，平行于流動方向的各層流體速度都不相同，即存在著相對滑動，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)η稱為粘度，它是表征液體粘滯性強弱的重要參數(shù)。
液體的粘滯性的測量是非常重要的，例如，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)，許多心血管疾病都與血液粘度的變化有關(guān)，血液粘度的增大會使流入人體器官和組織的血流量減少，血液流速減緩，使人體處于供血和供氧不足的狀態(tài)，這可能引起多種心腦血管疾病和其他許多身體不適癥狀。因此，測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，石油在封閉管道中長距離輸送時，其輸運特性與粘滯性密切相關(guān)，因而在設(shè)計管道前，必須測量被輸石油的粘度。
測量液體粘度有多種方法，本實驗所采用的落球法是一種法測量液體的粘度。如果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運動，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)小球作勻速運動時，測出小球下落的速度，就可以計算出液體的粘度。
【實驗?zāi)康摹?/strong>
【實驗原理】
1．當(dāng)金屬小球在粘性液體中下落時，它受到三個鉛直方向的力：小球的重力mg（m為小球質(zhì)量）、液體作用于小球的浮力
（
是小球體積，
是液體密度）和粘滯阻力
（其方向與小球運動方向相反）。如果液體無限深廣，在小球下落速度
較小情況下，有
（1）
上式稱為斯托克斯公式，其中
是小球的半徑；
稱為液體的粘度，其單位是
。
小球開始下落時，由于速度尚小，所以阻力也不大；但隨著下落速度的增大，阻力也隨之增大。zui后，三個力達到平衡，即
于是，小球作勻速直線運動，由上式可得：
令小球的直徑為
，并用
，
，
代入上式得
（2）
其中
為小球材料的密度，
為小球勻速下落的距離，
為小球下落距離所用的時間。
2．實驗時，待測液體必須盛于容器中（如圖2所示），故不能滿足無限深廣的條件，實驗證明，若小球沿筒的中心軸線下降，式（2）須做如下改動方能符合實際情況：
（3）
其中
為容器內(nèi)徑，
為液柱高度。
3．實驗時小球下落速度若較大，例如氣溫及油溫較高，鋼珠從油中下落時，可能出現(xiàn)湍流情況,使公式（1）不再成立, 此時要作另一個修正（詳見附錄1）。
【實驗裝置】
實驗裝置主要有：落球法粘滯系數(shù)測定儀（參見圖3）、小鋼球、蓖麻油、米尺、千分尺、游標(biāo)卡尺、液體密度計、電子分析天平、激光光電計時儀、溫度計和比重瓶等。（若實驗室給出鋼球材料密度，可不*電子分析天平）
【實驗內(nèi)容】
1．調(diào)整粘滯系數(shù)測定儀及實驗準(zhǔn)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)節(jié)底盤旋紐，使重錘對準(zhǔn)底盤的中心圓點。
2）將實驗架上的上、下兩個激光器接通電源，可看見其發(fā)出紅光。調(diào)節(jié)上、下兩個激光器，使其紅色激光束平行地對準(zhǔn)錘線。
3）收回重錘部件，將盛有被測液體的量筒放置到實驗架底盤中央，并在實驗中保持位置不變。
4）在實驗架上放上鋼球?qū)Ч?。小球用、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)Ч?，看其是否能阻擋光線，若不能，則適當(dāng)調(diào)整激光器位置。
2．用溫度計測量油溫，在全部小球下落完后再測量一次油溫，取平均值作為實際油溫。
3．用電子分析天平測量10—20顆小鋼球的質(zhì)量
，用比重瓶法測其體積，計算小鋼球的密度
。用液體密度計測量蓖麻油的密度。用游標(biāo)卡尺測量筒的內(nèi)徑，用鋼尺測量油柱深度。
4．用秒表測量下落小球的勻速運動速度
1）測量上、下二個激光束之間的距離。
2）用千分尺測量小球直徑，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，光線受阻，此時用秒表開始計時，到小球下落到阻擋下面的紅色激光束時，計時停止，讀出下落時間，重復(fù)測量6次以上。zui后計算蓖麻油的粘度。
5．用激光光電門（關(guān)于光電門，請參閱產(chǎn)品說明書）與電子計時儀器代替電子秒表，測量液體的粘度（注意：激光束必須通過玻璃圓筒中心軸），將測量結(jié)果與*值進行比較。
【實驗數(shù)據(jù)】（注：以下數(shù)據(jù)不作為儀器驗收標(biāo)準(zhǔn)，僅供實驗時參考）
待測液體是蓖麻油。
用激光光電傳感器測量全程和半程時間。
油溫
=15.90℃；小球密度=7.90
10
Kg/m,油的密度=0.96010Kg/m
量筒直徑
=6.72cm；全程距離
=20.12cm；近似半程距離
=10.70cm。
表1 小球下落平均速度數(shù)據(jù)
小球直徑 | 半程時間 | 全程時間 | 半程速度 | 全程速度 |
0.993 | 39.76 | 74.14 | 0.269 | 0.271 |
由表1中
和
的對比可知，兩者差距很小，因此，可以認(rèn)為小球整個下落過程中為勻速運動。
考慮到實驗并不是在無限深廣的情況下進行，須對測量結(jié)果進行修正，即速度應(yīng)修正為： 
本實驗中的=53.40cm，將,,帶入公式（3），計算得
=1.33
，兩者相差2.8%,此結(jié)果已達到實驗準(zhǔn)確度要求。
說明：由于液體粘滯與溫度關(guān)系密切，所以溫度必須測準(zhǔn)，否則測量結(jié)果與*值查出結(jié)果含有一定差別，而=15.90℃時，查表3 -圖，得*值=1.37
【思考題】
1．如何判斷小球在作勻速運動？
2．如果遇到待測液體的
值較小，而鋼珠直徑較大，這時為何須用（5）式計算？
3．用激光光電開關(guān)測量小球下落時間的方法測量液體粘滯系數(shù)有何優(yōu)點？
【參考文獻】
1．沈元華、陸申龍，基礎(chǔ)物理實驗. 北京：高等教育出版社，2003，12
2．賈玉潤等, 大學(xué)物理實驗. 上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1988，1：142～146
3．賈起民、鄭永令、方小敏， 力學(xué).第二版. 北京：高等教育出版社，2002
【附錄一】
為了判斷是否出現(xiàn)湍流，可利用流體力學(xué)中一個重要參數(shù)雷諾數(shù)
來判斷。當(dāng)
不很小時，式（1）應(yīng)予修正，但在實際應(yīng)用落球法時，小球的運動不會處于高雷諾數(shù)狀態(tài)，一般值小于10，故粘滯阻力F可近似用下式表示：
（4）
式中
表示考慮到此種修正后的粘度。因此，在各力平衡時，并顧及液體邊界影響，可得
=
式中即為式（3）求得的值，上式又可寫為
（5）
式中
。式（5）的實際算法如下：先將式（3）算出的值作為方括弧中第二、三項的
代入，于是求出答案為
；再將代入上述第二、三項中，求得
；……，因為此兩項為修正項，所以用這種方法逐步逼近可得到zui后結(jié)果（如果使用具有貯存代數(shù)公式功能的計算器，很快可得到答案）。一般在測得數(shù)據(jù)后，可先算出A和，然后根據(jù)
的大小來分析。如在0.5%以下（即Re很?。?，就不再求
；如在0.5%--10%,可以只作一級修正，即不考慮
項；而
在10%以上，則應(yīng)完整地計算式（5）。
【附錄二】
表2 蓖麻油的動力粘度
溫度/℃ | 0 | 10.00 | 15.00 | 20.00 | 25.00 | 30.00 | 35.00 | 40.00 |
粘度 | 53.00 | 24.18 | 15.14 | 9.50 | 6.21 | 4.51 | 3.12 | 2.31 |
注：1. 1P（Poise）=1（
）/cm2=0.1
2. 實際使用上表時，請各實驗中心將上表數(shù)據(jù)作圖，畫出光滑曲線η-θ圖，以備學(xué)生實驗時查閱。
蓖麻油粘度與溫度關(guān)系如圖4所示。
（20090825修訂）
編號 | 名稱 | 數(shù)量 | 備注 |
1 | 實驗架 | 壹個 |
|
2 | 儀器主機 | 壹臺 |
|
3 | 半導(dǎo)體激光發(fā)射器 | 貳只 |
|
4 | 激光接收器 | 貳只 |
|
5 | 七芯航空插頭（帶引線） | 壹根 |
|
6 | 量筒 | 壹只 |
|
7 | Φ1.5mm小鋼珠 | 壹包 |
|
8 | Φ2.0mm小鋼珠 | 壹包 |
|
9 | Φ2.5mm小鋼珠 | 壹包 |
|
10 | 小磁鋼 | 壹塊 |
|
11 | 電源線 | 壹根 |
|
12 | 說明書 | 壹份 |
|
13 | 合格證 | 壹份 |
|
14 | 裝箱清單 | 壹份 |
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15 |
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16 |
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