測量液體粘滯系數實驗的探討

李 臻，李 勇，許健敏，高亞妮

（華南理工大學 理學院物理系，廣東 廣州 510640）

測量液體粘滯系數實驗的探討

李 臻，李 勇，許健敏，高亞妮

（華南理工大學 理學院物理系，廣東 廣州 510640）

文章采用落針法研究了蓖麻油粘滯系數與溫度的關系。首先通過實驗儀器測量并計算落針在不同溫度蓖麻油中的粘滯系數，然后根據實驗數據繪出粘滯系數與溫度的關系曲線，最后對實驗結果進行了誤差分析，指出了該實驗存在的不足之處，提出了改進的方法。

落針法；粘滯系數；曲線擬合

引言

當液體內各部分之間有相對運動時，接觸面之間存在的內摩擦力為粘滯力。粘滯力大小與接觸面面積以及接觸面處的速度梯度成正比，比例系數稱為粘滯系數。在物理實驗中，流體粘滯系數測定方法有落針法、落球法、扭擺法、毛細管法等。其中落針法是測量過程較為簡便的一種，既可測牛頓液體，也可測非牛頓液體和不透明液體。PH-Ⅲ型變溫粘滯系數實驗儀是一種采用落針法測量液體粘滯系數的實驗儀器，但在測量蓖麻油粘滯系數時發現測量數據不夠準確，存在較大偏差。文章對上述實驗進行了分析，并提出了改進意見。

1 實驗儀器及實驗原理

PH-IV型變溫粘滯系數實驗儀由粘度計本體、落針、控溫裝置、霍爾傳感器、單板機計時器、溫度控制系統等幾部分組成。本體由內外套裝的兩個圓筒容器組成，筒壁間熱水循環流動對內筒待測液體進行水浴加熱，通過控溫裝置達到預定溫度。實驗時，中空長圓柱體型落針在待測液體中豎直下落，用霍爾傳感器和單片板計時器測量落針的收尾速度和時間間隔，由單板板計算出液體的粘滯系數。圖1為實驗儀器操作面板示意圖。

圖1 實驗儀器操作面板示意圖

落針在液體中沿容器中軸線緩慢豎直下落受到重力、浮力和粘滯阻力的作用。經過一段時間后，三力達到平衡，落針作勻速運動。對于牛頓液體，在恒溫條件下粘滯系數η為：，針長的修正系數為，其中g為重力加速度，R1為容器內筒半徑，R2為落針外半徑，L為兩磁鐵同名磁極的間距，t為落針兩磁鐵經過傳感器的時間。

因為已將計算η的程序固化在EPROM中，所以，利用單板機可將粘滯系數η計算并顯示出來，從而實現了智能化。

2 實驗內容及步驟

（1）接通電源，按下控溫按鈕，自動水泵對待測液體水浴加熱，將溫度控制器編碼開關調到某一溫度，此時紅色指示燈（OUT燈）亮，用取針裝置將液體中的針拉起來并懸掛在容器頂端。

（2）到達設定溫度后，紅色指示燈（OUT燈）滅，進行保溫。由于熱慣性，液體溫度需過一段時間才能達到平衡。記下容器中酒精溫度計的讀數（此為液體的溫度），這時霍爾傳感器上的LED燈應亮。

（3）按“復位”鍵，顯示“PH-2”，表示已經進入復位狀態。

（4）按“2”鍵，顯示“H”或“L”，表示毫秒計進入計時待命狀態。

（5）將投針裝置的磁鐵拉起，讓針沿圓筒中心軸線落下，稍等片刻，數顯表顯示時間（單位：ms）。按“A”鍵，第一次顯示落針的有效密度，第二次顯示蓖麻油的有效密度，第三次顯示該設定溫度下的液體粘度。

（6）記錄設定溫度下的液體粘度。

（7）繼續加熱液體，用上述相同的方法測出其它設定溫度下的液體粘度。溫度從20°C左右開始逐漸遞增3°C，共做10次。

（8）作粘度與溫度的關系曲線。

3 實驗數據

實驗中，鑒于實驗室的溫度條件，筆者針對25°C-50°C溫度范圍，測量了三組蓖麻油粘滯系數數據，如表1所示。

筆者著重對儀器顯示的粘滯系數表1做分析。先計算數據的標準差，如圖2所示。由圖2可知個別數據偏差較大，先剔除錯誤數據，再對實驗數據求平均值，如圖3所示。對平均值分布做了指數曲線擬合，所得的曲線為：η=3.3405e-0.059T，經計算得R2=0.9834，即R=0.991665，非常接近于1，說明擬合曲線基本反映了實驗數據的變化趨勢。

表1 蓖麻油粘滯系數數據

圖2 實驗數據標準差圖

圖3 實驗數據平均值圖

在圖3中，我們可以看出，在25°C-50°C之間，蓖麻油的粘滯系數隨著溫度的升高逐漸降低，即溫度越高，落針的下落速度越快，蓖麻油對其運動的阻礙越小，且當溫度超過40°C左右，液體的粘滯系數變化較不明顯，呈平緩下降。

圖4 蓖麻油粘滯系數的標準值圖

查PH-Ⅲ型變溫粘滯系數實驗儀測量蓖麻油粘滯系數的標準值，如圖4所示。與圖3比較可知，在25°C-50°C之間，本次實驗數據整體在溫度方向有一定的誤差移動，這主要來自溫度測量的誤差，因為每次落針運動的時間間隔基本不變，所以這個誤差是相同的，并不影響曲線形狀的變化，本實驗依然反映了蓖麻油粘滯系數與溫度的變化關系。

4 誤差分析

實際上，在本次實驗中，筆者測量蓖麻油的溫度發現：試驗儀溫度指示器顯示的溫度和蓖麻油的實際溫度存在一定偏差，顯示溫度比實際溫度大了近2℃。誤差產生的主要原因是由于測量溫度不準確，沸水注入玻璃管外管后溫度有所下降，溫度測量與落針過程存在時間差，而蓖麻油本身由于傳熱不均勻，在管中存在很大的溫差。落針的受力及落針的豎直偏角都是誤差產生的原因，最終都影響了測量的結果。所以，本實驗裝置存在一定的局限性。

5 改進建議及結論

針對誤差分析，可以做如下改進。首先，在玻璃管中的傳感部分增加一個溫度傳感器，測出落針實驗時的液體溫度，將會大大提高數據的準確性。其次，改進導向蓋內部結構，如縮短上端頸部長度，加大頸部直徑，以減小其對落針偏角修正的制約。還可以考慮優化單片板的程序，減少計算誤差；以及增加預熱時間，讓蓖麻油充分受熱。

［1］倪新蕾，等.大學物理實驗［M］.廣州：華南理工大學出版社，2005.

［2］吳望生，等.落針式粘滯系數實驗儀的誤差分析與改進［J］.實驗室研究與探索，2009，（3）：46.

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［4］沙振舜，等.用落針粘度計研究液體粘度與溫度的關系［J］.南京大學學報（自然科學版），1999，（6）：30.

O52

A

1673-2014（2011）05-0033-03

2011—05—11

華南理工大學“學生研究計劃（SRP）”：溫度對液體粘滯系數影響的實驗研究。

李 臻（1989— ），男，山西長治人，主要從事物理學研究。

（責任編輯 李學斌）