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类型落球法测定液体粘滞系数实验的改进.pdf

  • 上传人:HR专家
  • 文档编号:6187065
  • 上传时间:2019-04-01
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    落球法测定液体粘滞系数实验的改进.pdf
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    1、2007年 2月 武 警 学 院 学 报 Feb. 2007910第 23卷第 2期 JOURNAL OF THE CH INESE PEOPLES ARM ED POL ICE FORCE ACADEMY Vol. 23 No. 2落球法测定液体粘滞系数实验的改进刘晓彬(武警学院 基础部,河北廊坊 065000)摘 要:针对测定液体粘滞系数实验中所存在的问题,对小球下落时间的测量方法提出了改进,以提高实验精度,减小实验误差。关键词:粘滞系数;实验;误差;方法改进中图分类号:O4 - 33 文献标识码:A 文章编号: 1008 - 2077 (2007) 02 - 0091 - 031 引言测

    2、量液体粘滞系数方法有多种,如落球法、转筒 尾速度,记为 v0。经计算可得液体的粘滞系数为 =(-) gd2法、毛细管法等,其中落球法是最基本的一种,多管 18v0 。但是,“无限广延”的条件在实验中是法又是其中一种。它是使用落球法测出小球下落时间 ,应用作图法结合外推法处理数据的方法 ,具有原理简单 ,实验方法设计巧妙 ,仪器简单 ,操作方便 ,实验成本低 ,损耗小等优点 ,非常适合学生进行相关方面的实验。实验过程中 ,由于小球直径很小 ,操作方法不当 ,外界因素对温度等测量环境的影响 ,往往造成实验结果误差较大。我们需要在实验过程中 ,适当改进实验仪器和实验方法 ,以减小实验测量误差 ,提高

    3、测量结果的精确度。2 实验方法根据斯托克斯定律 ,光滑的小球在无限广延的液体中运动时 ,当液体的粘滞性较大 ,小球的半径很小,且在运动中不产生旋涡,那么小球所受到的粘滞阻力 f为 f =- 3vd。我们一般应用落球法来测量液体的粘滞系数。小球在液体中作自由下落时,受到三个力的作用,三个力都在垂直方向,即重力gv、浮力0 gv、粘滞阻力 f。开始下落时小球运动的速度 无法实现的,为了测得 v0,实验采用外推作图法来求v0。实验中采用多管的液体粘滞系数仪 ,如图 1所示。 图 1 多管液体粘滞系数仪用一组直径 D不同的装有待测液体的管子,安装在同一水平底板上,每个管子上两刻线间的距离S均相等。依次

    4、测出小球通过管中的两刻线间所需的时间 ti,以 t为纵坐标轴,以 1/D为横坐标轴,根据实验数据作出直线,延长该直线与纵轴相交,其截距为 t0,就是当D时,即在“无限广延”的液体中,S较小,相应的阻力也小,重力大于粘滞阻力和浮力, 小球匀速下落通过 S所需时间。所以有 v0 =2 ,代入t0所以小球作加速运动。由于粘滞阻力随小球的运动速度增加而逐渐增加,加速度也越来越小,当小球所受合外力为零时,趋于匀速运动,此时的速度称为收 (-0 )gd公式 = 就能求出液体的粘滞系数。18v0收稿日期: 2006 - 08 - 28作者简介:刘晓彬 (1975 ) ,女,河北廊坊人,讲师。武警学院学报20

    5、07年第 2期 (总第 128期) 基础科研3 问题分析及改进方法通过多次实验测量与分析 ,笔者发现 ,落球法测定液体粘滞系数实验中 ,主要实验误差来源于在测量过程中 ,小球在管子中下落时间的计时过程存在误差。而产生小球下落时间测量误差的因素主要有以下几方面:3. 1 观测者对小球下落经过刻线时位置判断不准确,造成计时不准实验中为了保证小球半径远远小于管子直径 ,所用小球直径很小。在小球下落中 ,学生操作稍有疏忽,或者任何外力干扰,都会造成在小球真正经过刻度线时 ,学生没能及时开始计时或停止计时 ,即人为测量误差较大。虽然可以通过使用光电感应装置来代替人工计时 ,但必须加大小球的尺度 ,以达到

    6、光电仪器的敏感度。为了保证小球半径远远小于管子直径,小球尺度的增大,势必造成管子尺度的相应增大 ,这样虽然减小了相关读数误差 ,又会增加系统误差。为了既不增大小球直径 ,又能够尽可能的减小人为读数误差 ,我们将管子的管壁作了一个改进 ,如图 2所示 ,在每个管子的刻线处,增加了一个凸透镜。通过这个凸透镜来观察测量 ,可以对待测物进行放大。这样每当小球下落经过刻线时 ,由于其尺度被放大 ,使学生可以仔细观察 ,能够做到在小球底部恰好到达刻线时开始和停止计时;又由于限定了观测范围,可以吸引学生集中注意力,避免了其它疏失误差,提高了读数的准确度。图 23. 2 小球下落偏离轴线方向 ,管壁对小球运动

    7、状态影响加大小球下落时应当尽可能在管子轴线上进行 ,才能最大限度的减少管壁对小球运动状态的影响。可是实验中,学生靠目测进行估计,往往不能准确判定92管子的轴线方向。而且如果取放小球工具不当,会导致小球释放到管子中时,下落轨迹偏离轴线,从而增加管壁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 ,下落时带有水平初速度,这就更造成了许多不必要的误差。我们将取放小球工具改成使用滴管来将小球吸入 ,释放时只需使小球和液体同时在滴管口形成液滴 ,使之轻触待测管子的液面 (这时需要注意不要有释放的初速度 ) ,小球就可沿着预定路线自由下落了 ,不会再产生不必要的水平初

    8、速度,而且操作简单快捷。为了简单易行的确定管子轴线位置 ,我们在操作中 ,在管子的水平底板上画了一些直线 ,俯视图如图 3。学生进行实验时 ,首先必须先调节好仪器底座水平,然后将头置于待测管子正上方,俯视管子时 ,可以看到直线交叉在管子横截面的圆心位置 ,对准这个位置释放小球 ,可以简单易行的保证了小球下落运动时沿着管子的轴线方向。图33. 3 待测液体产生湍流造成测量误差较大小球进入液体中,由于其下落时的运动状态不止是平动 ,还会有滚动的运动状态 ,这会对液体产生一定搅动 ,造成液体产生湍流。如果连续进行测量 ,间隔时间不够,液体的湍流会对小球的运动过程产生很大影响 ,造成实验测量值误差较大

    9、。而且当小球落到管子底部后,学生需要用磁铁将小球吸引出来 ,进行下次实验 ,这个过程对液体的影响也加剧了湍流的产生。为了减少液体的湍流对小球下落时间的影响,应当待液体充分静止后才能继续测量。因为厂家所生产小球的半径基本完全相同 ,我们在实验中使用若干个小球进行实验,这样就缩短了测量过程中所需的等待时间。待全部实验完成之后再统一用磁铁将小球全部吸引出来,以备进行下次实验。3. 4 外界环境变化对液体粘滞系数产生影响在观测过程中 ,由于实验者的影响,实验仪器周围环境温度会有变化,正常情况下,每分钟都会有刘晓彬:落球法测定液体粘滞系数实验的改进0. 2左右变化或更大,而每 0. 1的温度变化,都会造

    10、成液体粘滞系数的变化 ,那么 ,如何减小外界环境变化对液体粘滞系数的影响呢 ? 这就要求实验者在实验时 ,对小球在管子中下落时间的测量过程安排要紧凑 ,应当尽可能集中在最短时间内完成。但是为了保持液体处于静止状态,每下落一粒小球要间隔一段时间 ,不能连续放小球下落。否则小球下落引起的液体湍流会严重干扰小球下落时间。本实验又要求多次进行测量 ,以减小偶然误差。所以这个测量间隔时间是非常重要的 ,时间过于短 ,会造成液体未处于静止状态;时间过长,液体温度可能已经发生较大变化。考虑到以上因素 ,我们一般将测量过程设计为 ,首先充分做好准备工作 ,然后按照管子排列顺序 ,依次测量一次小球在每根管子中的

    11、下落时间,一轮测 量完毕,马上进行下一轮测量,最后,待全部实验完成之后再统一用磁铁将全部小球吸引出来 ,以备进行下次实验。整个实验过程操作紧凑 ,不能有长时间中断。这样安排操作过程 ,既保证了测量过程中足够的间隔时间,又可以尽快完成测量。通过上述分析及改进措施,明显的减小了相关因素对测量过程的影响 ,提高了测量结果的准确程度。同时 ,通过引导学生对实验过程的分析 ,以及采取相应的改进措施 ,提高了学生分析实验误差 ,解决实验中遇到的相关问题的能力。参考文献:1 王丽南,等.液体粘滞系数测量方法的研究 J . 吉林化工学院学报, 2005, (3).2 杨秋波.大学物理实验 M .中国人民武装警

    12、察部队学院, 2003.Improvement ofM easuring L iquid Viscousity Coefficient Experiment by Using Falling - ballM ethodL IU Xiao - bin(Fundam entDepartment, TheArmed PoliceAcademy, Langfang, Hebei Province 065000, China)Abstract:To the problems existing in the experiment of viscosity coefficient, some improvements on measurementmethod for the velocity of sphere are given. W ith the improvement, the experiment can be done with fewer errors,and the measurement accuracy is better.Key words:viscosity; experiment; error; improvement on the method陕西 宋亚萍 篆刻 93

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