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)

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)

測量黏度的方法有落球法、毛細管法等，落球法適合測量黏度系數較大的液體。同時，溫度等外界因素也會影響液體黏度的大小。實驗旨在了解用落球法測量液體黏度的原理，并學會在控制其他外界因素相同時，用落球法測量出洗潔精粘度，掌握實驗操作和步驟，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、游標卡尺、刻度尺及電子秒表的使用，進行誤差分析。

小球半徑 落球法 液體粘度

黏滯力是黏性液體內部的一種流動阻力。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性能力強弱的參數，黏滯系數越低的液體，流動性越好；相反，黏滯系數越大的液體，流動性越差。本實驗選擇了落球法測量液體黏度。

一、實驗裝置及過程

1.實驗裝置

50厘米透明量筒1個，洗潔精1桶；游標卡尺1把，刻度尺1把，記號筆1只；溫度計1只；電子秒表1只；不同半徑小鋼球若干。

2.實驗過程

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畫下標記線，并以最上的標記線為零刻度線，從上往下標記刻度。往量筒中倒入洗潔精恰好至零刻度線，測出此時洗潔精溫度，并控制溫度保持不變。取三種不同半徑的小球分別三個，分為A，B，C三組，分別測出各組小球的半徑。取A組第一個小球，控制其恰好位于液面下落，同時用電子秒表記下每下落5cm所用的時間。重復此步驟分別測出其他小球下落的時間并記錄。

二、實驗數據及處理

1.實驗結果

在T=31.5℃，濕度為48%到55%時，H=50.0cm，D=11.12cm，g=9.7920m/s2實驗結果如下：

2.數據處理

經分析，小球下落之15cm時開始做勻速運動，取25cm處速度為黏度的運算速度，將A1小球在25cm處所測數據代入公式(5)中：

同理可得出：

3.誤差分析

(2)秒表計時誤差。由于看到小球落過細線的時候按下秒表的時間有延遲，導致結果有一定的誤差。

(3)系統誤差。包括管徑的誤差、油管不絕對垂直。油品略有雜質等，均會對結果產生影響。

三、實驗分析

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心小鐵球下落速度的大小及變化過程，對最終實驗結果的影響。由實驗測量數據可得：洗潔精的粘滯系數隨小球直徑的增大而增大，而實驗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的關系如圖：

之所以會出現這樣的結果，是因為小球的形狀不規則會對結果產生較大的影響，若小球的球度不夠，則會吸附空氣或引起密度變化，導致小球下落速度變慢，測得的粘滯系數變大；當小球直徑變大時，小球的形狀對實驗結果的影響較小，而雷諾數越來越大，此時則會產生一定的渦流，對實驗結果產生影響，導致測得的粘滯系數變大；本次實驗測得的結果與標準值相比略偏大，主要是由于實驗時所處的溫度以及洗潔精配比成分的影響。

四、實驗結論

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，得到的測量值不同，這是由于本實驗無法在液面高度無限廣延的理想條件下進行，小球在洗潔精中運動存在一定的渦流，在一定的半徑范圍內，隨半徑增大，黏度系數測量值增大。

3.通過本實驗對落球法測液體黏度系數的實驗探究，得出落球法適用于測量黏度較大的液體，且應選取適當較小的小球半徑，不僅有利于時間的精確測量，并且相對于無限廣深的理想條件相差較小，誤差較小，有一定的現實意義。

[1]轉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時起點的確定[J].大學物理，2001，(07)：26-27.

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

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