1、仪器使用指导 TEACHERS GUIDEBOOKFD-VM-C变温粘滞系数测试实验仪中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd.FD-VM-C 型 变温粘滞系数测试实验仪一、概述液体粘滞系数又称液体粘度，是液体的重要性质之一，在工程、生产技术及医学方面有着重要的应用。采用落球法测量液体不同温度下的粘滞系数，物理现象明显，概念清晰，实验操作和训练内容较多，非常适合大学一、二年级实验教学；但以往许多仪器只能测量室温下的液体粘滞系数，却不能改变液体温度研究其粘滞系数随温度的变化关系
2、。而且以前由于受手工按秒表、视差等因素影响，测量下落速度准确度不高。现本公司研制的 FD-VM-C 型变温粘滞系数测试实验仪具有以下优点：1、本仪器配有加热升温系统，可用于研究液体粘滞系数随温度的变化关系，扩大了知识面，丰富了实验内容。2、用激光光电传感器结合单片机计时，克服人工秒表计时的视差和反应误差，测量小球下落速度的准确度高，引导学生掌握一种新型计时、测速、计数的方法，体现了实验教学的现代化。3. 本仪器使用了新型激光发射、接收器，并在调节激光光束方面做了改进，避免了以往仪器“调节难”的问题，使实验易于操作。4、设计底盘水平和立杆垂直调节装置及横梁中心小球下落引导管，保证小球从待测液体量
3、筒中心下落。本仪器可用于高等院校、中专的基础物理实验和设计研究性实验、演示实验。二、技术指标1.激光立柱标尺长度： 58cm 刻度 1mm2.激光光电计时器量程： 99.999s 分辨率 0.001s3.盛待测液体容器规格： 直径 60mm 刻线高度 43cm4.控温范围： 室温至 60.0 精度 0.1Coo5.直径 2mm 小钢珠在液体中下落测量速度的误差： 小于 1%6.液体粘滞系数测量误差： 小于 5%三、仪器功能1. 测量某一温度下液体的粘滞系数。2. 用循环热水加热液体达到预期的温度。3. 激光光电传感器结合单片机计时。 四、使用注意事项1. 主机接通电源后不要打开水箱盖（被封闭的
4、加热器内通有 220 伏电压）！实验室插座接地端应确保接地，以保证与之相连的加热器外壳和水箱中的水不带电！2、激光束不能直射人的眼睛，以免损伤眼睛。3、实验时应避免水泵空转，以延长水泵使用寿命。4、实验加倒水时应尽量避免水的逸出，特别注意不要将水洒到主机，插座上以免短路、漏电。5、水箱中水位不能过低，整个实验过程都应确保水能浸没加热器发热部分（底部大圈）和水泵转叶。6、温度传感器和出水管不要碰到加热器，以免烫坏变形。7、引导管的内壁和投放小球应保持清洁，以保证小球顺利滑出引导管8、应保证实验用水的清洁，仪器用过一段时间后要清洗，以确保计时的顺利进行和水泵的正常工作。变温液体粘滞系数的测定实验讲
5、义一. 实验目的1. 用斯托克斯公式采用落球法测量油的粘滞系数。2. 研究不同温度下液体粘滞系数的变化关系。3. 学习激光光电传感器测量时间和物体运动速度的实验方法。4. 观测落球法测量液体粘滞系数的实验条件是否满足，必要时进行修正。二、 实验原理1、当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mg（m 为小球质量） 、液体作用于小球的浮力 （ 是小球体积， 是液体密度）gV和粘滞阻力 （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F较小情况下，有v（1）rv6上式称为斯托克斯公式，其中 是小球的半径； 称为液体的粘度，其单位是 。r sPa小球开始下落时
6、，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 vrgVm6于是，小球作匀速直线运动，由上式可得： vr)(令小球的直径为 ，并用 ， ， 代入上式得d36dtl2d（2）lg18)(其中 为小球材料的密度， 为小球匀速下落的距离， 为小球下落 距离所用的时间。l tlD H l1 l2 图 1 实 验 装 置 2实验时，待测液体必须盛于容器中（如图 1 所示） ，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）须做如下改动方能符合实际情况：(3) )6.1)(4.21(8)( HdDtgd其中 为容器内径， 为液柱高度。D
7、H实验时小球下落速度若较大，例如气温及油温较高，钢珠从油中下落时，可能出现湍流情况,使公式（1）不再成立, 此时要作另一个修正(详见附录)。3. 粘滞系数由液体的性质和温度决定。随着液体温度的升高，其粘滞系数会迅速减小（本实验温度和粘滞系数的关系非常密切，温度的测量应准确可靠） 。蓖麻油的粘滞系数 随温度 的变化近似满足指数衰减关系，即：BAe其中系数 A、B 均为正数。三、实验内容1调整粘滞系数测定仪及实验准备一）仪器按结构图组装完成后，往玻璃容器内筒中加入适量的待测液体（高度比出水口低 12cm 为宜） ，往水箱中加入适量的水。连接好主机和水泵的电源线、计时数据传输线、温度数据传输线（把温
8、度传感器放入水中） 、进水管和出水管。开启水泵电源为玻璃容器灌水。此时最好将出水管拔出水面，尽量避免水箱中水泡的产生，以便水泵的正常工作和观测计时的正常进行。当水灌满后，把出水管浸没水中并调整好温度传感器的位置，让它们不要碰到加热器。二）打开主机电源，可看见实验架上的上、下两个激光发射器发出红光。在仪器横梁中间部位放重锤部件，调节上、下两个发射器，使其红色激光束对准锤线（也是小球下落路径） 。两发射器摆放位置稍微靠下，以保证计时阶段小球已是匀速下落；两光束间距尽量大些，以减小计时和下落距离测量的相对误差。三）收回重锤部件，调节上、下两个接收器，使红色激光束对准接收孔。当主机面板上触发指示灯亮时
9、，就表示两接受器同时接收到了光束。尽量使光束从接收孔中心垂直射入，以便减少气泡对计时的干扰。 （若有气泡经过激光束时，会附加些折射，这就可能导致非目的性计时）2. 用温度计测量室温下待测液的温度，然后在仪器横梁中间部位放入铜质球导管，让小球从铜质球导管中下落，记录每次小球下落 L 距离的时间，取各次计时的平均值做为下落时间。3. 在主机上设置好要达到的温度值，按确定按纽后仪器开始给循环水加热。每隔三分钟用搅拌棒伸入待测液中搅拌半分钟（先把铜质球导管和横梁小心取下） ，加快待测液的升温速率、缩短热量扩散达到均匀的时间。等主机温度表稳定显示预期温度以及待测液温度稳定不变时，记下此时待测液的温度（待
10、测液温度一般小于设定的水温值） 。然后把横梁小心装上，放入重锤检查激光是否打在锤线上，若拆装横梁后不能正常计时，可重复（1）中若干步骤调好激光器位置。最后重复（2）中步骤得到不同温度时小球的下落时间。4记录实验时待测液的深度 H。用电子分析天平测量 1020 颗小钢球的质量 ，用m比重瓶法测其体积，计算小钢球的密度 。用液体密度计测量待测液的密度 。用 游标卡尺测量筒的内径 。D5. 验证小球在计时阶段已是匀速下落（选做）当待测液稳定在某温度下时，先按上面步骤测得小球下落 L 距离所用的时间 T1，然后把上面一组激光发射、接收器下移，使得两激光束之间的距离变为 L/2, 继续重复上面步骤测得小
11、球下落的半程时间 T2。比较 T1/2 和 T2，若两者近似相等，则说明小球在计时阶段已是匀速下落。四、实验数据例待测液体是蓖麻油。计时距离 L=（发射器间距+接收器间距）/2=91.0 mm小球直径 d=1.990 mm、小球密度 =7.86 10 Kg/m3油的密度 =0.960 10 Kg/m 、油高 H=410 mm、量筒内径 D=60 mm3表 1 不同温度下蓖麻油粘度测量数据温度/C0计时距离/mm第一次计时/s第二次计时/s第三次计时/s第四次计时/s第五次计时/s平均时间/s粘滞系数/P28.00 91.0 3.573 3.622 3.640 3.617 3.613 3.613
12、 5.4332.05 91.0 2.599 2.626 2.595 2.592 2.632 2.609 3.9235.70 91.0 2.046 2.060 2.052 2.049 2.046 2.051 3.0840.30 91.0 1.556 1.543 1.545 1.553 1.546 1.549 2.3344.20 91.0 1.251 1.250 1.250 1.255 1.245 1.250 1.88根据蓖麻油粘度公认值表（见附录二）和以上测量数据作图后得到下图。比较两曲线可知：实验测得数据和经验值很接近，误差较小。 123456720 25 30 35 40 45 50温 度粘
13、度/P 经 验 曲 线实 验 曲 线五、观察与思考1、实验中哪些量的测量对总误差影响较大？如何减小误差?2、引导管出口与待测液液面之间的距离如何选择最好？3、如何判断小球在作匀速运动？六、参考文献1、沈元华、陆申龙，基础物理实验. 北京：高等教育出版社，2003，122、贾玉润等, 大学物理实验. 上海：复旦大学出版社，1988，1：1421463、贾起民、郑永令、方小敏， 力学.第二版. 北京：高等教育出版社，2002附录一为了判断是否出现湍流，可利用流体力学中一个重要参数雷诺数 来判断。dvRe当 不很小时，式（1）应予修正，但在实际应用落球法时，小球的运动不会处于高eR雷诺数状态，一般
14、值小于 10，故粘滞阻力 F 可近似用下式表示：eR（4）)Re108963(2 vrF式中 表示考虑到此种修正后的粘度。因此，在各力平衡时，并顾及液体边界影响，可得)Re108963()2.31)(4.2(18)( 2 HdDltgd= Re0963(式中 即为式（3）求得的值，上式又可写为（5）12 )(1A式中 。式（5）的实际算法如下：先将式（3）算出的 值作为方括弧中第dvA16 二、三项的 代入，于是求出答案为 ；再将 代入上述第二、三项中，求得 ；11 2，因为此两项为修正项，所以用这种方法逐步逼近可得到最后结果 （如果使用具有贮存代数公式功能的计算器，很快可得到答案） 。一般在
15、测得数据后，可先算出蓖 麻 油 - 图0510520530510152025303540 /PA 和 ，然后根据 的大小来分析。如 在 0.5%以下（即 Re 很小） ，就不再求 ；AA/如 在 0.5%-10%,可以只作一级修正，即不考虑 项；而 在 10%以上，则应2)(1 A完整地计算式（5） 。附录二表 2 蓖麻油的动力粘度温度/ 0 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00粘度 P/53.00 24.18 15.14 9.50 6.21 4.51 3.12 2.31注：1、1P(Poise)=1( )/cm2=0.1sdgnsPa2、实际使用上表时，请各实验中心将上表数据作图，画出光滑曲线 - 图，以备学生实验时查阅。蓖麻油粘度与温度关系如图 3 所示。图 3 - 关系示意图
