落球法测量液体粘滞系数-预习思考题
落球法测液体 粘滞系数
数。
η与液体的温度关系密切，当温度上升时，η迅
速下降。
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空气浮力
液体粘滞力
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液体的粘滞性与粘滞系数
各种实际液体具有不同程度的粘滞性，当液体流
动时，具有不同速度的各层流体之间，存在着相对滑动，
于是在各层之间就有摩擦力产生，这一摩擦力称内摩擦力
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H
1/件
**
d/D
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3、总结与思考
落球法测量液体粘滞系数总结：
✓ 1、一定温度T下，小球在不同管径液体中下落同样高度
不同下落速度v；
✓ 2、通过外推法
小球的收尾速度vm。
mVg
3dvm
思考：什么样的液体适合用落球法来测量粘滞系数？
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或粘滞力，它的方向平行于接触面而与流动方向相反，其
大小与速度梯度成正比、与接触面积成正比，比例系数η
称为粘滞系数。
f粘滞
dv dx
S
η与液体的温度关系密切，当温度上升时，η迅速下降
。粘滞系数的单位： Pas
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问题的提出：
若给你一种液体 你怎样来测得它的粘滞系数
实验原理
一个小球在静止的液体中下落时，如果液体是无 限深广的，小球的半径和小球在液体中的下落速度均较小 ，且运动过程中不产生涡旋：
f粘滞 3 dv -----斯托克斯定 律
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1、本实验的设计思想
当金属小球在无限深广粘滞性液体中 下落时，在铅直方向其受力如图所示。当三力
平衡时，小球做匀速直线运动，速度为vm
落球法测量液体粘滞系数
落球法测量液体粘滞系数 Revised by BLUE on the afternoon of December 12,2020.落球法测量液体粘滞系数各种实际液体具有不同程度的粘滞性，当液体流动时，平行于流动方向的各层流体速度都不相同，即存在着相对滑动，于是在各层之间就有摩擦力产生，这一摩擦力称为粘滞力，它的方向平行于接触面，其大小与速度梯度及接触面积成正比，比例系数η称为粘度，它是表征液体粘滞性强弱的重要参数。
液体的粘滞性的测量是非常重要的，例如，现代医学发现，许多心血管疾病都与血液粘度的变化有关，血液粘度的增大会使流入人体器官和组织的血流量减少，血液流速减缓，使人体处于供血和供氧不足的状态，这可能引起多种心脑血管疾病和其他许多身体不适症状。
因此，测量血粘度的大小是检查人体血液健康的重要标志之一。
又如，石油在封闭管道中长距离输送时，其输运特性与粘滞性密切相关，因而在设计管道前，必须测量被输石油的粘度。
测量液体粘度有多种方法，本实验所采用的落球法是一种绝对法测量液体的粘度。
如果一小球在粘滞液体中铅直下落，由于附着于球面的液层与周围其他液层之间存在着相对运动，因此小球受到粘滞阻力，它的大小与小球下落的速度有关。
当小球作匀速运动时，测出小球下落的速度，就可以计算出液体的粘度。
【实验目的】1．学习用激光光电传感器测量时间和物体运动速度的实验方法2．用斯托克斯公式采用落球法测量油的粘滞系数（粘度）3．观测落球法测量液体粘滞系数的实验条件是否满足，必要时进行修正。
【实验原理】1．当金属小球在粘性液体中下落时，它受到三个铅直方向的力：小球的重力ρ（V是小球体积，ρ是液体mg（m为小球质量）、液体作用于小球的浮力gV密度）和粘滞阻力F（其方向与小球运动方向相反）。
如果液体无限深广，在小球下落速度v较小情况下，有=6rvFπη（1）上式称为斯托克斯公式，其中r 是小球的半径；η称为液体的粘度，其单位是s Pa ⋅。
【大学物理实验(含 数据+思考题)】仿真实验 落球法测定液体的粘度
仿真实验 / 落球法测定液体的粘度一、实验目的（1）观察液体的粘滞现象；（2）用落球法测量不同温度下蓖麻油的粘度；（3）巩固使用基本测量仪器的技能；（4）了解PID温度控制的原理。
二、实验仪器变温黏度测量仪，ZKY-PID温控实验仪，停表，螺旋测微器，钢球若干，金属镊子。
三、实验原理1.落球法测定液体黏度原理一个在静止液体中下落的小球受到重力、浮力和黏滞阻力3个力的作用，如果小球的速度v很小，且液体可以看成在各方向上都是无限广阔的，则从流体力学的基本方程可以导出表示黏滞阻力的斯托克斯公式：（1）（1）式中d为小球直径。
由于黏滞阻力与小球速度v成正比，小球在下落很短一段距离后，所受外力达到平衡，小球将以匀速下落，此时有：（2）式中ρ为小球密度，ρ为液体密度。
由（2）式可解出黏度η的表达式：（3）本实验中，小球在直径为D的玻璃管中下落，液体在各方向无限广阔的条件不满足，此时黏滞阻力的表达式可加修正系数(1+2.4d/D)，而（3）式可修正为：（4）当小球的密度较大，直径不是太小，而液体的黏度值又较小时，小球在液体会达到较大的值，奥西思-果尔斯公式反映出了液体运动状态对中的平衡速度v斯托克斯公式的影响：（5）其中，Re称为雷诺数，是表征液体运动状态的无量纲参数。
（6）当Re小于0.1时，可认为（1）、（4）式成立。
当0.1<Re<1时，应考虑（5）式中1级修正项的影响，当Re大于1时，还须考虑高次修正项。
考虑（5）式中1级修正项的影响及玻璃管的影响后，黏度η1可表示为：（7）由于3Re/16是远小于1的数，将1/（1+3Re/16）按幂级数展开后近似为1－3Re/16，（7）式又可表示为：（8）已知或测量得到ρ、ρ、D、d、v等参数后，由（4）式计算黏度η，再由（6）式计算Re，若需计算Re的1级修正，则由（8）式计算经修正的黏度η1。
在国际单位制中，η的单位是Pa·s（帕斯卡·秒），在厘米，克，秒制中，η的单位是P（泊）或cP（厘泊），它们之间的换算关系是：1Pa·s=10P=1000cP （9）2.PID条件控制PID调节是自动控制系统中应用最为广泛的一种调节规律，自动控制系统的原理可用图1说明。
实验6 落球法测液体的粘滞系数
实验6 落球法测液体的粘滞系数【粘滞系数知识和斯托克斯公式】液体都具有粘滞性，液体的粘滞系数（又称内摩擦系数或粘度）是液体粘滞性大小的量度，也是粘滞流体的主要动力学参数。
研究和测定流体的粘滞系数，不仅在物性研究方面，而且在医学、化学、机械工业、水利工程、材料科学及国防建设中都有很重要的实际意义。
例如，现代医学发现，许多心血管疾病都与血液粘度的变化有关，血液粘度的增大会使流入人体器官和组织的血流量减少，血液流速减缓，使人体处于供血和供氧不足状态，可能引发多种心脑血管疾病和其他许多身体不适症状，因此，测量血液粘度的大小是检查人体血液健康的重要标志之一。
又如，石油在封闭管道中长距离输送时，其输运特性与粘滞性密切相关，因而在设计管道前，必须测量被输石油的粘度。
液体的粘度受温度的影响较大，通常随着温度的升高而迅速减小。
测定粘滞系数的方法有多种，如转筒法、毛细管法、落球法等。
转筒法，利用外力矩与内摩擦力矩平衡，建立稳定的速度梯度来测定粘度，常用于粘度为0.1～100的流体；毛细管法，通过一定时间内流过毛细管的液体体积来测定粘度，多用于粘度较小的液体如水、乙醇、四氯化碳等；落球法，通过小球在液体中的匀速下落，利用斯托克斯公式测定粘度，常用于粘度较大的透明液体如蓖麻油、变压器油、机油、甘油等。
本实验学习用落球法测定蓖麻油的粘滞系数，如果一小球在粘滞液体中铅直下落，由于附着于球面的液层与周围其他液层之间存在着相对运动，因此小球爱到粘滞阻力，它的大小与小球下落的速度有关。
当小球作匀速运动时，测出小球下落的速度，就可以计算出液体的粘度。
液体的粘滞系数又称内摩擦系数，在工程技术和生产技术以及医学等方面，测定液体的粘滞系数具有重大的意义，例如研究水、石油等流体在长距离输送时的能量损耗，造般工等，这些均与测定液体的粘滞系数有关，斯托克斯法是测定液体粘滞系数的基本方法。
在稳定流动的流体中，各层流体的速度不同就会产生切向力，快的一层给慢的一层以拉力，慢的一层给快的一层以阻力，这一对力称为流体的内摩擦力或粘滞力。
实验11 落球法测量液体的粘滞系数
四、原始数据记ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ表格
组号________ 同组人姓名____________________ 成绩__________ 教师签字_______________
温度/°C 时间 速度 测量值 1 2 3 4 5 平均 温度每上升5°C左右测量一次，依照室温情况，测量范围可以在20°C ~55°C间任意选择，但40°C必做。
实验11 落球法测量液体的粘滞系数
专业___________________ 学号___________________ 姓名___________________
一、预习要点
1. 落球法测定粘滞系数的基本原理是什么？
2. 表示粘滞阻力的斯托克斯公式受到怎样的局限？实验中如何修正？
2. 相对误差保留二位有效数字。
七、思考题
1. 落球法为什么只适用于测量粘滞系数较高的液体？
2. 为什么落球要在圆筒中心轴线垂直下落？如果不满足该条件，会导致测量值偏大还是偏小？
福建农林大学 物理实验要求及原始数据表格
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二、实验内容
使用变温粘度仪测定不同温度下蓖麻油的粘滞系数。
三、实验注意事项
1. 控温时间至少保证10分钟以上，从而使得样品温度与加热水温一致；
2. 调节样品管的铅直，尽量保证小球沿样品管中心下落；
3. 测量过程中，尽量避免对液体的扰动；
4. 从0刻线开始，小球每下落5cm计时一次，计时要眼明手快，保证视线与管壁刻线水平。
五、数据处理要求
1. 计算出不同温度条件下小球下落的速度及蓖麻油的粘滞系数，结果填入表格中，保留三位有效数字；
落球法测量液体的粘滞系数
落球法测量液体的粘滞系数一、实验内容：熟悉斯托克斯定律，掌握用落球法测量液体的粘滞系数的原理和方法。
二、实验仪器：落球法粘滞系数测定仪、小钢球、蓖麻油、千分尺、激光光电计时仪三、实验原理：如图1，当金属小球在粘性液体中下落时，它受到三个铅直方向的力：小球的重力mg、ρ（V为小球体积，ρ为液体密度）和粘滞阻力F（其方向于小液体作用于小球的浮力gV球运动方向相反）。
如果液体无限深广，在小球下落速度v较小的情况下，有：=（1）6Fπηrv图1 液体的粘滞系数测量装置上式称为斯托克斯公式，式中η为液体的粘滞系数，单位是s Pa ⋅，r 为小球的半径。
斯托克斯定律成立的条件有以下5个方面： 1）媒质的不均一性与球体的大小相比是很小的；2）球体仿佛是在一望无涯的媒质中下降； 3）球体是光滑且刚性的； 4）媒质不会在球面上滑过；5） 球体运动很慢，故运动时所遇的阻力系由媒质的粘滞性所致，而不是因球体运动所推向前行的媒质的惯性所产生。
小球开始下落时，由于速度尚小，所以阻力不大，但是随着下落速度的增大，阻力也随之增大。
最后，三个力达到平衡，即：rv gV mg πηρ6+=于是小球开始作匀速直线运动，由上式可得：vrgV m πρη6)(-=令小球的直径为d ，并用ρπ36d m =，t l v =，2dr =代入上式得：（2）其中ρ'为小球材料的密度，l 为小球匀速下落的距离，t 为小球下落l 距离所用的时间。
实验时，待测液体盛于容器中，故不能满足无限深广的条件，实验证明上式应该进行修正。
测量表达式为：（3）其中D 为容器的内径，H 为液柱高度。
四、实验步骤：1． 调整粘滞系数测量装置及实验仪器1）调整底盘水平，在仪器横梁中间部位放重锤部件，调节底盘旋钮，使重锤对准底盘的中心圆点。
2）将实验架上的两激光器接通电源，并进行调节，使其红色激光束平行对准锤线。
3）收回重锤部件，将盛有待测液体的量筒放置到实验架底盘中央，并在实验中保持位置不变。
落球法测量液体粘滞系数实验中问题的讨论
落球法测量液体粘滞系数实验中问题的讨论
液体粘滞系数是一种流体动力学参数，对描述液体流动有重要意义。
为了准确
测量液体粘滞系数，必须采用可靠的方法，而落球法就是一种常用的测量方法。
落球法测量液体粘滞系数依赖于两个物理量，分别为重力和粘性力。
所测量的
粘滞系数即根据重力及粘性力的关系而确定。
这种实验方法的优点是可以实时记录球的落体过程，因此有时也称为动态实验法。
但是落球法也存在一些问题。
例如，实验需要严格控制空气的阻力，但实际操
作中很难控制空气的流动，尤其是当空气流量大的时候，这可能影响球体的下落进程。
另外，由于这种实验对于实验环境温度和气压的适宜范围较大，而且变化给测量数值也会造成影响，因此必须经常检查实验环境。
此外，落球法也面临技术上的挑战，如记录球体行程的精确度。
现有技术探测
球体轨迹可能存在轻微的测量误差，因此，对于计算粘性力的准确程度也存在一定的影响。
综上所述，落球法测量液体粘滞系数使这种方法落球实验成为一种可行的方式。
虽然存在一定困难，但只要正确使用，落球法仍然可以提供准确可靠的结果用于测量液体粘滞系数。
实验一 落球法测液体的粘滞系数
第三章 基础性实验实验一 用落球法测量液体的黏滞系数【实验目的】1. 根据斯托克斯公式用落球法测定液体的黏滞系数。
2. 了解斯托克斯公式的修正方法。
【实验仪器】液体黏滞系数仪，米尺，游标卡尺，螺旋测微器，秒表，温度计，小钢球，比重计，镊子，蓖麻油，天平。
【实验原理】当半径为r 的光滑圆球以速度v 在液体中运动时，小球受到与运动方向相反的摩擦阻力的作用，这个阻力称为黏滞(阻)力。
黏滞力并不是小球和液体之间的摩擦力，而是由于黏附在小球表面的液层与相邻液层之间的内摩擦而产生的。
若小球的半径很小，液体是无限广延且黏性较大，如速度不大，在液体中不产生涡流的情况下，根据斯托克斯定律，小球在液体中受到的黏性力F 为：rv F πη6= (1-1)式子中r 为小球的半径，v 为小球的运动速度，η为液体的黏滞系数。
本实验采用落球法测液体的黏滞系数。
一质量为m 的小球落入液体后受到三个力的作用，即重力mg 、浮力gV 0ρ(0ρ为液体的密度，V 为小球的体积)和黏滞力F 。
在小球刚进入液体时，由于重力大于黏滞力和浮力之和，所以小球作加速运动。
随着小球运动速度的增加，黏滞力也增加，设当速度增加到0v 时，小球受到的合外力为零，此时有：gV rv mg 006ρπη+= (1-2)以后小球将以速度0v 匀速下降，此速度称为终极速度。
将小球的体积34()32d Vπ=代入式(1-2)可得： 200()18gd v ρρη-= (1-3) 式(1-3)是奥西斯—果尔斯公式的零级近似，适用于小球在无限广延的液体中运动的情况。
而在本实验中，小球是在半径为R 的装有液体的圆筒内运动的，这时测得的速度v 和理想条件下的速度0v 之间存在如下关系：)3.31)(4.21(0h r R r v v ++= (1-4) 式中，/2rd =，R 为盛液体圆筒的内半径，h 为液体的深度，将式(1-4)代入式(1-3)中，得出： )3.31)(4.21(18)(20hr R r gd ++-='ρρη (1-5) 实验时，先由式(1-3)求出近似值，再用式(1-5)求出经修正的值η'。
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预习思考题
1.为何要对公式（4）进行修正？
答：斯托克斯定律成立的条件有以下个方面：
第一,媒质的不均一性与球体的大小相比是很小的;
第二,球体仿佛是在一望无涯的媒质中下降;
第三,球体是光滑且刚性的;
第四,媒质不会在球面上滑过;
第五,球体运动很慢,运动时所遇的阻力系由媒质的粘滞性所致,而不是因球体运动所推向前行的媒质的惯性所产生。
而这些条件在实验过程中是无法满足的，所以必须对斯托克斯公式进行修正。
2.如何判断小球在液体中已处于匀速运动状态？
答：先确定量筒之间的一段长度，测量出小球在此之间下落的时间，时间多次测量取平均值，算出这段距离的速度。
然后再将这段距离放大或者缩小，测量时间，再算出这段距离的速度。
如果后面计算得到的速度和之前得到的速度一样，那么就可以认为小球在这段距离是处于匀速运动状态。
3.影响测量精度的因素有哪些？
答：第一：实验中液体油筒不水平引起误差。
如果忽略油筒垂直,将给整个实验带来误差。
第二：温控仪未达到设定温度,便开始操作实验。
因为设定温度后,必须使待测液体的温度与水的温度完全一致才可以测量。
如果实验中操作不够重视,设定的温度与待测液体的温度是不一致的,测量的粘滞系数不是设定温度下的粘滞系数,此时记录数据是有误差的。
第三：实验开始后,不可以碰撞油筒,否则会引入横向力,造成液面漩涡,使小球靠近油筒壁下落,带来测量误差。
第四：小球下落偏离轴线方向,小球释放到油筒中时,下落轨迹偏离轴线,从而增加油筒壁对小球运动状态的影响, 产生很大误差。
第五：小球刚进入液体未开始作匀速运动,就开始计时引起误差。
第六：小球表面粗糙,或有油脂、尘埃等也会产生测量误差。
因为这样的小球会扰动液体,使阻力增大,速度减小,导致测量结果偏大。
此外,小球的密度、液体的密度、油筒的内径,虽然由实验室给出,但并非严格精准,也会间接地对实验结果产生影响。