吳 斌,王 穎,田冰濤,黃原點,陳東生

(上海電力學(xué)院,上海 200090)

用計算機輔助測量液體的粘滯系數(shù)

吳 斌,王 穎,田冰濤,黃原點,陳東生

(上海電力學(xué)院,上海 200090)

主要說明用自制光電門配合計算機輔助測量液體粘滯系數(shù)的原理和方法,當小球擋住光電門的光路時,會使光敏管產(chǎn)生一個電脈沖,可以利用計算機聲卡配合audition軟件捕捉這個脈沖,從而實現(xiàn)小球下落時間的測量,提高實驗的精確度。

光電門;液體粘滯系數(shù);計算機;Audition軟件

液體粘滯系數(shù)又稱液體粘度。流體流動時,其質(zhì)點之間存在著相對運動,會產(chǎn)生內(nèi)摩擦力反抗它們之間的相對運動,液體的這種性質(zhì)稱為粘滯性。質(zhì)點之間的內(nèi)摩擦力稱為粘滯力。粘滯系數(shù)反映液體流動行為的特征。粘滯系數(shù)與液體的性質(zhì)、溫度和流速有關(guān),因此,粘滯系數(shù)的測量在工程技術(shù)方面有著廣泛的使用價值。如機械的潤滑,石油在管道中的傳輸,油脂涂料,醫(yī)療和藥物等方面,都需要測定粘滯系數(shù)。本次實驗采用落球法測量液體的粘滯系數(shù)。

1 Audition軟件的介紹

Audition可提供先進的音頻混合、編輯、控制和效果處理功能。最多混合128個聲道,可編輯單個音頻文件,創(chuàng)建回路并可使用45種以上的數(shù)字信號處理效果。Audition是一個完善的多聲道錄音室,可提供靈活的工作流程并且使用簡便。本實驗利用Audition的數(shù)字信號處理功能和單個音頻文件編輯功能。實驗中,可以從Audition的界面中讀出下落時間t。

2 光電門的制作與數(shù)據(jù)記錄原理

本裝置利用了激光二極管和光敏管。由于光敏管在感光時會產(chǎn)生微小電脈沖,所以將激光二極管和光敏管組合,用計算機USB端口提供激光二極管電源,光敏管直接連接計算機麥克風(fēng)接口,就可做成一個光電門。當用物體擋光時,光敏管就會產(chǎn)生脈沖,用聲卡配合Audition記錄脈沖,當有多個光電門時,就能記錄多個脈沖,Audition軟件中兩個脈沖之間的距離就是時間差Δt[1-2]。

圖1 光電門原理圖

3 實驗原理

當金屬小球在液體中下落時,它受到三個鉛直方向的力:重力mg(m為小球質(zhì)量)、液體作用于小球的浮力ρgV(V是小球體積,ρ是液體的密度)和粘滯阻力F(其方向與小球運動方向相反)。如果金屬小球在無限深廣的液體中下落,且當小球下落速度較v小時,存在關(guān)系式[3]:

上式稱為斯托克斯公式,其中r是小球的半徑;η(單位是Pa·s)稱為液體的粘度。

在粘滯性液體中下落時,小球所受的阻力和它的下落速度有關(guān),且速度越大,阻力越大當小球開始下落時,由于速度尚小,所以阻力不大;但隨著下落速度的增大,阻力也隨之增大,最后三個力達到平衡,這時有:

式中ρ′為小球材料的密度,l為小球勻速下落的距離,t為小球在下落距離為時所用的時間,即為Δt。

斯托克斯定律要求小球是在無限寬廣的液體中下落,但實際容器的直徑和深度總是有限的,故實際的速度v要乘上修正因子

其中D為管子的內(nèi)直徑,H是液體深度。于是,落球法求液體粘滯系數(shù)的實驗計算公式為

4 實驗步驟

(1)如圖2所示,連接好光電門裝置,并在量筒中倒入蓖麻油,調(diào)整量筒至水平。

圖2 實驗裝置圖

(2)調(diào)整好激光器和接收管的高度和它們之間的距離,用標準刻度尺測得兩紅外光敏管之間距離為l。

(3)打開計算機上的Audition軟件,新建波形。

(4)選擇直徑為d的小球從量筒的中心軸線位置上放入,使之能剛好擋住激光發(fā)生器的光,使紅外光敏管能產(chǎn)生脈沖信號,并利用聲卡,測出l距離內(nèi)的時間t,時間t即為波峰或波谷之間的距離,如圖3所示以兩波谷為例。

圖3 時間波形圖

(5)帶入η公式,得出η。

5 實驗數(shù)據(jù)

本實驗中,待測液體石蓖麻油,溫度為14.2℃,采用直徑為3mm的小球,小球密度ρ=7.90×103kg/m3,油的密度ρ′=0.96×103kg/m3,g=9.80 kg/s2。

表1 實驗數(shù)據(jù)

6 結(jié) 論

自制光電門配合計算機輔助軟件捕捉脈沖電信號,從而實現(xiàn)對小球下落時間的測量,提高實驗的精確度。

[1]閻心語.新型氣墊導(dǎo)軌光電門的制作[J].發(fā)明與創(chuàng)新,2010(05):30-31.

[2]麻則運,彭何歡.基于Audition與聲卡的剛體轉(zhuǎn)動慣量的測定 [J].物理實驗,2010,30(7):34-36.

[3]陳東生,崔璐,等.數(shù)碼相機在液體黏度測量中的應(yīng)用[J].物理實驗,2005,25(10):37-39.

Assisting in Measuring Viscosity Coefficient by Computer

WU Bin,WANG Ying,TIAN Bing-tao,HUANG Yuan-dian,CHEN Dong-sheng

(Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090)

This article is tOdescribe the principles and methods of how tOuse the computer tOassist in measuring the liquid viscosity coefficient with a self-made photOgate.Blocking optical light path,the ball makes the photodiode generate an electrical pulse.The pulse,which can measure the ball falling time and increase accuracy of the experiment,can be captured by the audition with the sound card of computer.

optical gate;liquid viscosity coefficient;computer;audition software

O411.2

A

1007-2934(2011)04-0063-03

2011-03-02

上海市大學(xué)生科研創(chuàng)新基金資助(A84192)