旋转液体综合实验
小水轮的实验原理
小水轮的实验原理
小水轮实验是一种用水流驱动轮盘旋转的实验，其原理基于液体动力学和机械转动原理。
首先，实验中需要准备一个小水轮，它通常由一根中空的轴和连接在其边缘的多个叶片组成。
轴可以在支架上自由旋转，而叶片则被设计为斜向或弯曲的形状，以能够有效地转动轮盘。
下面是小水轮实验的主要原理：
1. 流体动力学原理：当水流通过轮盘上的叶片时，水流会受到叶片的作用力，而产生一个动量变化。
根据动量守恒定律，水流的动量变化将导致一个反作用力作用在叶片上，从而使轮盘开始旋转。
2. 欧拉动力学原理：旋转的小水轮会产生一个旋转轴上的角动量，根据欧拉动力学原理，当轮盘上的叶片斜向排列时，它们会在受到水流作用力时产生一个扭矩。
这个扭矩使得轮盘继续旋转。
综合上述原理，当水流通过小水轮时，它们会受到叶片的作用力，从而引起轮盘旋转。
因此，通过增加水流的速度或调整叶片的形状，可以改变小水轮的旋转速度和效率。
小水轮实验常用于教育和科学研究，通过观察和测量实验中水流速度、叶片设计和轮盘旋转速度之间的关系，可以帮助学生和研究人员更好地理解液体动力学和机械转动原理。
§3.3 旋转法测定流变性
dω dr
µr
即
dω M 1 = dr 2πh r 2
dω =
M dr 2πhµ r 3
（3-64）
如果外圆筒以 ω1 的角速度旋转，内圆筒以 ω 2 的角速度旋转， 对式（3-64）从 R2 到 r 积分，有
M r dr ∫ω 2 dω = 2πhµ ∫R2 r 3
故
ω
ω − ω2 =
M 1 1 ( 2 − 2) 4πhµ R2 r
dω =
（3-75）
根据假设条件，液体在圆筒表面无滑动，可确定如下边界条件：
r = R1 时， ω = 0 ，τ = τ 1 r = R2 时， ω = Ω ， τ = τ 2
对式（3-75）积分得
1 τ f (τ ) ω= ∫ dτ + 常数 2 τ
（3-76）
代入边界条件，可得
1 τ 2 f (τ ) Ω= ∫ dτ τ1 2 τ
（3-68）
可见，当圆筒的几何尺寸和旋转角速度一定时，牛顿流体的剪切率
γɺ 也与半径 r 的平方成反比。
由式（3-63）（3-68）和τ = µγɺ 得 、
2 2 R12 R2 M =µ 2 (ω1 − ω 2 ) 2 2πh R1 − R2
（3-69）
从上式可见，当ω1 和ω2 大小相等，方向相同，即ω 1=ω2 时，M=0, 这时流体不受剪切，粘滞阻力矩为零；当ω1 和ω2 有方向差别或有大小 差别时，M≠0。那么，只要测定内外圆筒的相对角速度 (ω1 − ω 2 ) 和外 力矩 M，就可求出牛顿流体的动力粘度μ。
M = 2πhr 2τ
那么 当外力矩一定时，
M τ= 2πhr 2
（3-63）
M 为常数，表明在一定的力矩 M 作用 2πh
旋转液体测重力加速度的研究
旋转液体测重力加速度的研究摘 要： 本文通过对旋转液体反射的原理以及斜率法的综合运用，从而对重力加速度g 进行了测量。
研究旋转液体浓度与重力加速度之间的存在的关系，利用ori g in 软件找出不同浓度液体测g 值得拟合，并对旋转液体反射方法所得g 值与当地g 值比较，给出最好的重力加速度测量方法，得出最准确的液体浓度。
关 键 词：旋转液体；重力加速度；浓度；抛物面方程1 引 言: 重力加速度通常 用g 表示，一般取9.802/m s 。
它是一个非常重要的地球物理常数，其值随着地理纬度和海拔高度的不同而不同 。
准确测定不同地区的重力加速度在理论上、生产上以及科学研究中都具有重要的意义 。
对重力加速度的多种不同测量方法及它们各自的设计思想和实验技巧等进行分析研究，将会加深我们对物理实验的基本思想、方法和技能的掌握，培养实验设计能力和创造性思维。
所以重力加速度在大学物理实验中是重要的一个基本物理实验。
根据盐城所在的纬度为北纬33022’，经度为东经120012’，我们能够得出盐城本地重力加速度为9.7982/m s .光是一种人类眼睛可以见到的电磁波。
在科学的定义上，光有时候是指所有的电磁波谱。
光是由一种称为光子的基本粒子组成。
具有粒子性和波动性，或称为波粒二象性。
光遇到水面、玻璃等其他许多物体的表面都会发生反射，光线从一种介质斜射入另一种介质时，方向发生偏折，这种现象叫做光的折射。
本专业为光电技术，所以选用了旋转液体这一实验进行研究。
旋转的液体有许多独特的物理特征,比如盛有液体的圆柱形容器绕其圆柱面的对称轴匀速转动时,旋转液体的表面将成为抛物面.由于旋转液体的表面是一个非常理想的抛物面，同时旋转液体能很好地反射光线，故而能起反射镜的作用，从而测重力加速度。
旋转液体综合试验仪研究进展
旋转液体综合试验仪研究进展作者：任美杰李真真史乐乐杜伟来源：《科学与技术》2018年第18期摘要：旋转液体综合试验仪由于其设计结构以及组成特点，在流体静力学中研究旋转运动容器内液体相对平衡等相关问题有着独特优势。
结合国内外学者的研究报道，综述了旋转液体综合匀角速度旋转试验的使用情况，讨论了旋转液体综合试验仪的测量原理，简述了目前实验室应用的旋转液体综合试验仪存在的缺点，在此基础上进行了总结和展望。
关键词：旋转液体；改进；重力加速度；液面高度引言旋转液体综合实验是大学实验中具有代表性的研究性实验之一。
现有的试验仪具有操作简单、现象明显和体积小等特点。
这套试验仪可以研究抛物面参数与重力加速度关系，测量重力加速度，研究液面凹面镜成像与转速的关系，同时可对凹面镜焦距的变化情况展开研究，另外还可测量液体的粘滞系数。
借助旋转液体综合试验仪进行特性研究实验是高校大学物理实验中经典实验项目；如果把旋转液体的自由液面作为一个光学系统加以研究，还可测定液体折射率[1]。
目前相关旋转液面装置存在特征点高度测量不准、平面镜对激光束反射的光点打在抛物液面与圆柱容器侧壁的交线上的稳定性差、不易观察及影响角速度的测量等问题。
霍中生[2]通过教学研究发现，学生利用该装置测出的重力加速度误差大，仪器精度不高；高严[3]等发现肉眼看旋转液体最凹面和最高处对应的刻度线时，手动调节读数网格没有校对方式且旋转后上下边界不会十分清晰；袁野[4]发现实验装置存在计时和位置测量方面不够精确的问题。
本文将综述现有旋转液体试验仪的发展现状，并在此基础上对现有试验仪提出改进措施，并采用该装置研究旋转液体的参数对密闭容器顶盖的压力的影响，进一步丰富和拓展试验仪的用途。
1旋转液体测量重力加速度的工作原理圆桶以恒定转速绕其中心轴旋转，液体和圆桶一起做等角速度旋转运动，形成一个漏斗形旋转面。
这是由于在液体粘性的效用下，液体与圆桶内壁接触的边缘层最先被带动旋转，随着时间的积累，液体层逐渐向中心扩展，最终形成漏斗形状的旋转抛物面。
上海电力学院应用物理专业综合性设计性物理试验教学大纲综合.doc
《综合性、设计性物理实验》教学大纲课程名称：综合性、设计性物理实验(Comprehensive and designed Physics Experiment) 课程编号：课程性质：学科基础课(独立设课)课程要求：必修课程类别：实践课实验教材或指导书名称：综合性、设计性物理实验教程学时学分：总学时：学分：开出学期：第6学期实验室名称：物理实验中心适用专业：应用物理学专业编写人：陈东生审核人：刘永生一、课程简介：传统的物理学科曾对20世纪的社会发展起到了根本性的作用，其作为基础学科仍在不断地影响着当今社会的变革，并对其它学科的产生和发展起到了有力的推动作用，但同时又受到新学科和当今社会新科技快速发展的挑战和冲击。
长期以来，基础物理实验的教学模式比较单一、教学内容比较陈旧、教学方法比较落后。
实验内容基本上是验证性和测量性的，缺少一些由学生自己设计并带有研究性的内容。
这种千篇一律的实验教学内容和方式在一定程度上限制了高年级学生的学习主动性与积极性的发挥，难以激发他们独立思考的兴趣和激情，因而不利于创新人才的培养。
近年来，国内各高校为了改变这种现状都相继进行了物理实验课程方面的改革，同时提出了设计性、研究性物理实验的各种内容、各种实验手段以及各种运作方法等。
从观念上，实验的内容和仪器设备等方面有了很大的变化。
为了适应教学上的需求，综合性、设计性物理实验的开设必不可少。
二、实验目的与要求设计性、研究性物理实验的目的旨在“开发学生智能，培养与提高学生科学实验能力和素养”。
在对学生进行基础物理实验知识和方法技能训练的基础上，使学生能运用所学知识和技能独立完成和解决物理实验问题。
提高学生独立分析问题和解决问题的能力，为毕业设计、撰写科研成果报告和学术论文奠定良好的基础。
设计性、研究性物理实验也是对正常教学的一个必要补充，旨在加强学生创新能力、动手能力的培养，使学生在学好理论知识的同时，还要具有较高的实验技能。
它特别注重学生的主体作用的发挥和独立个性发展相结合, 通常只给出一些实验要求及必要的提示。
旋转液体物理实验报告
旋转液体物理实验报告实验名称：旋转液体物理实验实验目的：1.了解旋转液体的物理特性。
2.探究旋转液体的重心及转速与液面高度的关系。
3.探究旋转液体的受力情况及对液体形态的影响。
实验原理：呈圆柱形的容器内装有液体，外部加一转速为ω的恒力。
旋转容器两端长度分别为L、l，容器内液体的高度为h，容器内物质密度为ρ。
实验步骤：1.清洁容器并倒入液体，注意不要注入过多以避免溢出。
2.固定容器并通过电机使其开始旋转。
3.调节电机速度，记录旋转液面高度h、旋转速度ω及容器两端长度L、l等实验数据。
4.拍摄旋转液面形态，记录旋转过程中液面的变化。
实验数据记录：表格1：旋转液面高度与电机转速的关系旋转液面高度h/cm 电机转速ω/rpm1.5 30001.0 40000.8 50000.5 6000表格2：旋转液面高度与容器长度的关系旋转液面高度h/cm 容器两端长度L/cm 容器端长l/cm1.5 30 201.0 40 200.8 50 200.5 60 20实验结论：1.旋转液体的重心随液面高度变化而变化，液面高度越高重心越高，液面高度越低重心越低。
2.在相同容器长度L的条件下，当液面高度相同时，液体的受力均匀，且液面呈现扁平状态。
3.在相同液面高度的条件下，当容器端长l增加时，液面形态容易变得不稳定。
实验分析：1.通过实验数据分析可得知，液面高度越高旋转液体的重心越高，液面高度越低旋转液体的重心越低，与理论分析相符。
2.液面呈现扁平状态说明液体的受力均匀，符合力学原理。
3.容器端长l的增加会使液面形态不稳定，原因是在过长的容器端长下，外力产生的作用点一侧产生凸起使液体形成弧形，导致液面变得不稳定。
实验心得：通过本次旋转液体物理实验，我们深入了解了旋转液体的物理特性及相关影响因素，并在实验过程中掌握了调节实验参数、记录实验数据和分析实验结果的方法技巧，提高了自身实验能力和科学素养。
旋转液体综合实验实验报告
竭诚为您提供优质文档/双击可除旋转液体综合实验实验报告篇一：旋转液体综合实验旋转液体综合实验浙江大学物理实验教学中心20XX-11旋转液体综合实验在力学创建之初，牛顿的水桶实验就发现，当水桶中的水旋转时，水会沿着桶壁上升。
旋转的液体其表面形状为一个抛物面，可利用这点测量重力加速度；旋转液体的抛物面也是一个很好的光学元件。
美国的物理学家乌德创造了液体镜面，他在一个大容器里旋转水银，得到一个理想的抛物面，由于水银能很好地反射光线，所以能起反射镜的作用。
随着现代技术的发展液体镜头正在向一“大”一“小”两极发展。
大，可以作为大型天文望远镜的镜头；反射式液体镜头已经在大型望远镜中得到了应用，代替传统望远镜中使用的玻璃反射境。
当盛满液体（通常采用水银）的容器旋转时，向心力会产生一个光滑的用于望远镜的反射凹面。
通常这样一个光滑的曲面，完全可以代替需要大量复杂工艺并且价格昂贵的玻璃镜头，而哈勃空间望远镜的失败也让我们了解了玻璃镜头何等脆弱。
小，则可以作为拍照手机的变焦镜头。
美国加利福尼亚大学的科学家发明了液体镜头，它通过改变厚度仅为8mm的两种不同的液体交接处月牙形表面的形状，实现焦距的变化。
这种液体镜头相对于传统的变焦系统而言，兼顾了紧凑的结构和低成本两方面的优势。
旋转液体的综合实验可利用抛物面的参数与重力加速度关系，测量重力加速度，另外，液面凹面镜成像与转速的关系也可研究凹面镜焦距的变化情况。
还可通过旋转液体研究牛顿流体力学，分析流层之间的运动，测量液体的粘滞系数。
【实验原理】一、旋转液体抛物面公式推导定量计算时，选取随圆柱形容器旋转的参考系，这是一个转动的非惯性参考系。
液相对于参考系静止，任选一小块液体p，其受力如图1。
Fi为沿径向向外的惯性离心力，mg为重力，n为这一小块液体周围液体对它的作用力的合力，由对称性可知，n必然垂直于液体表面。
在x-Y坐标下p(x,y)则有：图1原理图ncos??mg?0nsin??Fi?0Fi?m?x2tan??dydx??xg2根据图1有：y??22x?y0（1）2g为旋转角速度，y0为x?0处的y值。
(整理)旋转液体综合实验
旋转液体综合实验浙江大学物理实验教学中心2005-11旋转液体综合实验在力学创建之初，牛顿的水桶实验就发现，当水桶中的水旋转时，水会沿着桶壁上升。
旋转的液体其表面形状为一个抛物面，可利用这点测量重力加速度；旋转液体的抛物面也是一个很好的光学元件。
美国的物理学家乌德创造了液体镜面，他在一个大容器里旋转水银，得到一个理想的抛物面，由于水银能很好地反射光线，所以能起反射镜的作用。
随着现代技术的发展液体镜头正在向一“大”一“小”两极发展。
大，可以作为大型天文望远镜的镜头； 反射式液体镜头已经在大型望远镜中得到了应用，代替传统望远镜中使用的玻璃反射境。
当盛满液体（通常采用水银）的容器旋转时，向心力会产生一个光滑的用于望远镜的反射凹面。
通常这样一个光滑的曲面，完全可以代替需要大量复杂工艺并且价格昂贵的玻璃镜头，而哈勃空间望远镜的失败也让我们了解了玻璃镜头何等脆弱。
小，则可以作为拍照手机的变焦镜头。
美国加利福尼亚大学的科学家发明了液体镜头，它通过改变厚度仅为8mm 的两种不同的液体交接处月牙形表面的形状，实现焦距的变化。
这种液体镜头相对于传统的变焦系统而言，兼顾了紧凑的结构和低成本两方面的优势。
旋转液体的综合实验可利用抛物面的参数与重力加速度关系，测量重力加速度，另外，液面凹面镜成像与转速的关系也可研究凹面镜焦距的变化情况。
还可通过旋转液体研究牛顿流体力学，分析流层之间的运动，测量液体的粘滞系数。
【实验原理】一、 旋转液体抛物面公式推导定量计算时，选取随圆柱形容器旋转的参考系，这是一个转动的非惯性参考系。
液相对于参考系静止，任选一小块液体P ，其受力如图1。
Fi 为沿径向向外的惯性离心力，mg 为重力，N 为这一小块液体周围液体对它的作用力的合力，由对称性可知，N 必然垂直于液体表面。
在X-Y 坐标下P(x,y) 则有：cos 0N mg θ-= sin 0i N F θ-=图1 原理图2i F m x ω=2tan dy xdx gωθ==根据图1有： 0222y x gy +=ω （1）为旋转角速度，0y 为0=x 处的y 值。
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调节激光 束的方向
调节激光 束入射点
3． 关闭电机，测量圆筒中液面高度和
圆筒底至透明屏幕的距离，带入公 式计算重力加速度。
数据处理
按照给出实验数据处理表格整理数据；
思考题
本实验产生误差的主要原因是什么？ 试分析之。
待测量 h0/cm H/cm
1 2 3 4 5 6
C
C C C
dB透明屏Fra bibliotek2θT/s d/cm
x R 2
D
实验仪器
实验内容及步骤
一、旋转液体最高处与最低处高度差测量重力加速度 1． 用游标卡尺测量圆筒的内径 2．在圆筒中加入适量的水，水面离筒口3~5cm 为宜，过多液 体转速受限制，水容易溢出；过少旋转的抛物液面的焦点 在筒口以下而无法测量焦距。 3．将已加入水的圆筒放好，并用水平仪调水平，否则实验中， 水在旋转时因液面高度不稳定而导致测量结果不佳。
实验小结
注意事项
1）不要直视激光束。 2）用气泡式水平仪校准转盘的水平。 3）激光器装帽盖，顺时针旋紧，小心下 落水中。
实验原理
一、匀速旋转液体的上表面为抛物面
二、用旋转液体测量重力加速度
用旋转液体最高处 与最低处的高度差 测量重力加速度
将
g
R
2
2
2h
D
2 2
2
2T h
h 、D、T测出，代入求得g
激光束平行转轴入射测斜率法求重力加速度
2 2 D g 2 T tan
d tan 2 H h0
4．打开电机，调节适当的转速，从圆筒侧壁用米尺测出液面 最高处与最低处的高度差，并从旋转液体实验仪上读取与 之对应的周期，计算重力加速度。
二、激光束平行转轴入射测斜率法求重力加速度 1． 令圆筒静止（转速为零），开启半导体激光器，调节其位置， 使其光束平行转轴入射至筒底半径为 R / 2 的圆刻线上，透明屏 幕上入射光点和经水面反射后的光点在水静止时重合。（激光 的自准直原理） 2． 打开电机，调节转速（转速或从慢到