◆張歡迪

(浙江省嵊州市馬寅初中學(xué))

探究小球半徑對落球法測量液體黏度的影響

◆張歡迪

(浙江省嵊州市馬寅初中學(xué))

測量黏度的方法有落球法、毛細(xì)管法等，落球法適合測量黏度系數(shù)較大的液體。同時(shí)，溫度等外界因素也會(huì)影響液體黏度的大小。實(shí)驗(yàn)旨在了解用落球法測量液體黏度的原理，并學(xué)會(huì)在控制其他外界因素相同時(shí)，用落球法測量出洗潔精粘度，掌握實(shí)驗(yàn)操作和步驟，分析不同小球半徑對洗潔精的黏度測量的影響，并掌握溫度計(jì)、游標(biāo)卡尺、刻度尺及電子秒表的使用，進(jìn)行誤差分析。

小球半徑 落球法 液體粘度

黏滯力是黏性液體內(nèi)部的一種流動(dòng)阻力。主要來自分子之間相互的吸引力，黏度是用來衡量液體流動(dòng)性能力強(qiáng)弱的參數(shù)，黏滯系數(shù)越低的液體，流動(dòng)性越好；相反，黏滯系數(shù)越大的液體，流動(dòng)性越差。本實(shí)驗(yàn)選擇了落球法測量液體黏度。

一、實(shí)驗(yàn)裝置及過程

1.實(shí)驗(yàn)裝置

50厘米透明量筒1個(gè)，洗潔精1桶；游標(biāo)卡尺1把，刻度尺1把，記號(hào)筆1只；溫度計(jì)1只；電子秒表1只；不同半徑小鋼球若干。

2.實(shí)驗(yàn)過程

將50厘米長量筒置于水平桌面上，控制其豎直。用刻度尺測量，并在量筒上每隔5cm畫下標(biāo)記線，并以最上的標(biāo)記線為零刻度線，從上往下標(biāo)記刻度。往量筒中倒入洗潔精恰好至零刻度線，測出此時(shí)洗潔精溫度，并控制溫度保持不變。取三種不同半徑的小球分別三個(gè)，分為A，B，C三組，分別測出各組小球的半徑。取A組第一個(gè)小球，控制其恰好位于液面下落，同時(shí)用電子秒表記下每下落5cm所用的時(shí)間。重復(fù)此步驟分別測出其他小球下落的時(shí)間并記錄。

二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

1.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在T=31.5℃，濕度為48%到55%時(shí)，H=50.0cm，D=11.12cm，g=9.7920m/s2實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

2.數(shù)據(jù)處理

經(jīng)分析，小球下落之15cm時(shí)開始做勻速運(yùn)動(dòng)，取25cm處速度為黏度的運(yùn)算速度，將A1小球在25cm處所測數(shù)據(jù)代入公式(5)中：

同理可得出：

3.誤差分析

(2)秒表計(jì)時(shí)誤差。由于看到小球落過細(xì)線的時(shí)候按下秒表的時(shí)間有延遲，導(dǎo)致結(jié)果有一定的誤差。

(3)系統(tǒng)誤差。包括管徑的誤差、油管不絕對垂直。油品略有雜質(zhì)等，均會(huì)對結(jié)果產(chǎn)生影響。

三、實(shí)驗(yàn)分析

通過落球法測量洗潔精黏度，并比較分析在31.5℃下，使用同一洗潔精，半徑不同但同種材料的實(shí)心小鐵球下落速度的大小及變化過程，對最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。由實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)可得：洗潔精的粘滯系數(shù)隨小球直徑的增大而增大，而實(shí)驗(yàn)誤差隨著小球半徑增大先增大后減小。得到的小球半徑與洗潔精粘滯系數(shù)的關(guān)系如圖：

之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的結(jié)果，是因?yàn)樾∏虻男螤畈灰?guī)則會(huì)對結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，若小球的球度不夠，則會(huì)吸附空氣或引起密度變化，導(dǎo)致小球下落速度變慢，測得的粘滯系數(shù)變大；當(dāng)小球直徑變大時(shí)，小球的形狀對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響較小，而雷諾數(shù)越來越大，此時(shí)則會(huì)產(chǎn)生一定的渦流，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，導(dǎo)致測得的粘滯系數(shù)變大；本次實(shí)驗(yàn)測得的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值相比略偏大，主要是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)所處的溫度以及洗潔精配比成分的影響。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1.測量得到洗潔精在T=31.5℃，濕度為48%到55%的情況下，黏度約為2551mpa·s。

2.使用不同半徑的小球測洗潔精的黏度系數(shù)，得到的測量值不同，這是由于本實(shí)驗(yàn)無法在液面高度無限廣延的理想條件下進(jìn)行，小球在洗潔精中運(yùn)動(dòng)存在一定的渦流，在一定的半徑范圍內(nèi)，隨半徑增大，黏度系數(shù)測量值增大。

3.通過本實(shí)驗(yàn)對落球法測液體黏度系數(shù)的實(shí)驗(yàn)探究，得出落球法適用于測量黏度較大的液體，且應(yīng)選取適當(dāng)較小的小球半徑，不僅有利于時(shí)間的精確測量，并且相對于無限廣深的理想條件相差較小，誤差較小，有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]轉(zhuǎn)筒法測量洗潔精黏度.

[2]盛忠志，簡家文.用落球法測液體粘度計(jì)時(shí)起點(diǎn)的確定[J].大學(xué)物理，2001，(07)：26-27.

[3]張淑貞.落球法測液體的粘滯系數(shù)小球收尾速度的研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，1998，(01)：26-27.

[4]陳碧芳.落球法測液體粘度的理論修正公式[J].大學(xué)物理，2002，(12)：25-27.