梁法庫,梁 帥,張 玲,王元慶

(1.齊齊哈爾大學理學院物理系,黑龍江齊齊哈爾161006;2.東北林業(yè)大學土木工程學院,黑龍江哈爾濱150040;3.長春理工大學理學院,吉林長春130022)

對葡萄糖水-水小孔周期性泄流的實驗與分析

梁法庫1,梁 帥2,張 玲3,王元慶1

(1.齊齊哈爾大學理學院物理系,黑龍江齊齊哈爾161006;2.東北林業(yè)大學土木工程學院,黑龍江哈爾濱150040;3.長春理工大學理學院,吉林長春130022)

20℃附近時,對葡萄糖水-水小孔泄流周期進行觀測,保持管內徑為1.30 mm不變,對5個不同管長的泄流周期進行測量,得出泄流周期與孔長的關系為 T∝L1.16.

周期性泄流;濃度;孔長

1 引 言

近年,小孔周期性泄流實驗受到人們的關注,文獻[1-8]分別給出理論研究和實驗觀測,文獻[5]中研究了小孔的滲透壓和小孔處的壓力差,得出了小孔泄流周期表達式.筆者也在文獻[6-8]中作了大量的實驗,發(fā)現(xiàn)周期性泄流維持時間的上限、內外槽中裝有不同密度(濃度)不相溶性液體時,周期性泄流不能進行,不同濃度泄流周期也不同等結論.文獻[1-5]作了理論模擬和實驗兩方面研究,給出一些有意義的探索,文獻[2]給出實驗測得周期24 s和理論計算周期數(shù)值41 s,量級上相當.以往文獻多以鹽水(或白糖冰糖水)-水作實驗研究,本文對葡萄糖水-水小孔泄流周期進行實驗研究,得到了一些有意義的結論.

2 實驗裝置和實驗現(xiàn)象

圖1是小孔周期性泄流的實驗裝置,它由內筒(槽)和與它同軸固定的外筒組成,且與外界大氣相通,內筒(槽)底部開了1個小孔(流管),將內槽固定在外槽中相對位置保持不變,底部的小孔長度為L,內槽盛50%葡萄糖水,外槽中盛蒸餾水(或煮開過的水).實驗開始時裝置放在水平穩(wěn)定的位置,使內筒濃溶液的液面比外筒溶液的液面高(或略低).實驗開始時內筒液體通過小孔向下以流束液柱輪廓向外筒底部泄流并擴散,經過

圖1 實驗裝置

一段時間停止向外筒泄流,緊接著外筒液體通過小孔以流束液柱輪廓向內筒上表面泄流并擴散,過一段時間停止向上泄流,接著內筒液體又開始向下泄流,這樣液體就開始了持續(xù)上下周期性的泄流.實驗中用移測顯微鏡測量注射器針頭的內孔徑,3次測量取平均得d=1.30 mm.外筒為高約20.7 cm的玻璃容器,容器壁上帖有容積的刻度和測量液面高度的刻度尺.內筒為50 mL的注射器.為使測量時更準確,對實驗裝置進行改進,改進后的實驗裝置.如圖2所示,注射器的活塞被細長管貫穿,是帶有塞子的長管,打開塞子時使管內與外界相連,即內筒液面與外界相通.本實驗的內筒盛有葡萄糖水,用赤峰蒙欣藥業(yè)生產的500 g袋裝葡萄糖配制(在照相時,濃溶液被染色).外筒盛有室溫下的蒸餾水或涼開水.兩容器之間由可更換的細管(內筒底部小孔泄流管)相連接,根據實驗要求不同使用相應細管(泄流管).

實驗時要求液體溫度穩(wěn)定、周圍環(huán)境和裝置不能振動,以免影響周期時間觀測的結果.此外,除了注意實驗器材的因素,還有注意實驗者在讀取每次下流或上流的時間要準確.

圖2 注射器活塞控制液體裝置

泄流管如圖3所示,把細管一部分用透明膠帶纏住,可以防止細管與管口處有溶液流出.不但解決了確定細管的長度L的問題,而且可以用針管(安針頭的柱管)換取不同的細管.

圖3 不同型號的細管

3 實驗數(shù)據記錄及圖像

把實驗儀器水平穩(wěn)定放置后,打開長管開始進行實驗.濃溶液開始從細管(泄流管)下流出,幾十s后液體流速減小最后停止下流,轉為外筒溶液通過細管向內筒流入.實驗中取細管中的液體第一次上流開始計時,上流時間為t2n(n為自然數(shù)),此后的下流時間記做 t2n+1.周期時間 T滿足 T=t2n+t2n+1.在外筒體積為750 mL的水,內筒體積為40 m L,濃度為50%糖水,孔徑相同長度不同的小孔泄流周期性時間的變化如表1所示.此次實驗使用水為室溫(19±0.5)℃的涼開水.限于篇幅表1中只列出1個孔長度的實驗過程數(shù)據.由測試結果可以發(fā)現(xiàn)15組數(shù)據曲線均平穩(wěn),表1中L=1.6 cm,溫度為19℃,濃度為50%,外筒內徑 φ1=8.6 cm,V外=750 m L,沒放內筒時外筒液面高度 H0=12.9cm,放內筒后外液深度 H1=13.7 cm,內筒內徑 φ2=2.9 cm,V內=40 m L,開始振蕩形成時內液深度(距孔底)h3=7.8 cm,液面差為1.1 cm,d=0.13 cm.測量數(shù)據如表2所示,時間是2010年 1月4日10∶54至1月7日20∶30.數(shù)據處理如表3所示,由表 3得出 t2m+1∝L1.07±0.16,T∝L1.16±0.16,T是13周3組平均值.

表1 小孔振蕩時間的記錄

表2 數(shù)據記錄

表3 數(shù)據處理

用Origin得出周期與孔長的關系如圖4所示,得出 T＊∝L1.16±0.16,與文獻[1,5]理論 T∝L較接近.

圖4 lg T-lg L擬合

4 結束語

綜上所述,實驗中觀察到高濃度的液體與水形成的泄流周期穩(wěn)定,經過連續(xù)對5個管長的15組數(shù)據測量,發(fā)現(xiàn)其他條件不變泄流周期時間隨著孔長增加而增加,并且 T∝L1.16,與文獻[1,5]理論 T∝L接近.

致謝:向為本文提供參考資料的《物理實驗》編輯部編審老師和提供部分器材的齊齊哈爾大學物理實驗中心韓蘇陽、蔡成江等老師,以及參與觀測的白志強等同學表示感謝!

[1]Steinbock O,Lange A,Rehberg I.Density oscillato r:analysis of flow dynamics and stability[J].Phys.Rev.Lett.,1998,81(4):798-801.

[2]Okamura M,Yoshikawa K.Rhythm in a saline oscillato[J].Phys.Rev.E,2000,61(3):2445-2452.[3]Kano T,Kinoshita S.Viscosity-dependent flow reversal in a density oscillato r[J].Phys.Rev.E,2007,76(4):046208.

[4]Gonzalez H,A rce H,Guevara M R.Phase restting,phase locking,and bistability in the periodically driven saline oscillato r:experiment and model[J].Phys.Rev.E,2008,78:036217.

[5]路峻嶺,汪榮寶.對小孔泄漏振蕩演示實驗的研究[J].大學物理,2005,24(7):28-31.

[6]梁法庫,邵華峰.小孔持續(xù)周期性泄流的實驗與觀測[J].大學物理,2008,27(10):32-35.

[7]梁法庫,路峻嶺.小孔周期性泄流的實驗與分析[J].物理實驗,2005,25(12):31-33.

[8]梁法庫.兩種無色液體間周期性有色擴散實驗的現(xiàn)象與分析[J].物理通報,1999,18(2):24-25.

[9]李椿,章立源,錢尚武.熱學[M].北京:高等教育出版社,1978:304-360

[10]孫萍,鄭佳喻,周華喜,等.B-Z振蕩反應實驗[J].物理實驗,2009,29(1):1-6.

[11]林志琦,劉向偉,張訕通.用數(shù)字方法產生阻尼振蕩波形[J].物理實驗,2008,28(8):38-40.

[責任編輯:郭 偉]

Glucose water-water hole periodic aerial drainage experiment

L IANG Fa-ku1,L IANG Shuai2,ZHANG Ling3,WANG Yuan-qing1
(1.Department of Physics,Qiqihar University,Qiqihar 161006,China;2.Civil Engineering College,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China 3.Changchun University of Science and Techno logy,Changchun 130022,China)

The glucose water-water drainage periods of 5 tubes w ith 1.30 mm inner diameter and different length were measured at 20℃.The relation between period and hole length was T∝L1.16.

periodic aerial drainage;concentration;hole length

G642.423

A

1005-4642(2011)01-0036-03

2010-05-04;修改日期:2010-08-16

黑龍江省教育廳2007年科學技術研究項目(No.11521309);齊齊哈爾大學教育科研項目(No.2009004)

梁法庫(1963-),男,黑龍江拜泉人,齊齊哈爾大學物理系教授,學士,從事基礎物理教學和演示實驗研究.