大学物理实验指导书

《普通物理学实验》实验指导书

机械建筑学院

2011年10月

实验一 落球法测定液体粘滞系数

一、实验目的

1、观察液体的内摩擦现象，学会用落球法测量液体的粘滞系数。

2、掌握基本测量仪器（如游标卡尺、螺旋测微计、秒表）的用法。 二、实验内容

1、将玻璃圆筒装入液体，调节圆筒，使其中心轴处于铅直位置。用游标卡尺测量圆筒的内直径D 。用米尺量出圆筒上标号线A 、B 之间的距离S 。

2、用螺旋测微计测小钢球的直径d 、在三个不同的方向上测量，取其平均值。共测试5个小球，记录测量结果，编号待用。

3、用吸棒吸起小钢球，为使其表面完全被所测的油浸润，先将小球在油中浸一下，然后放入玻璃管中。用秒表测出小球匀速下降通过路AB 所需的时间t ，则v=s/t （5个小球分别测量）。

4、小球的密度由实验室给出，液体的密度可测定或给出。记下油的温度。

5、根据每个小球的数据，按照公式④计算η，然后求η平均值及其 误差。 注意:实验中常用的液体为蓖麻油或甘油。为了减少实验误差，采用小直径的钢球（钢球直径1mm ）。

三、 实验设备、仪器

1、粘滞系数实验仪、甘油。

2、游标卡尺、螺旋测微计、秒表、钢球。 四、实验原理

小球在液体中运动时，将受到与运动方向相反的摩擦阻力的作用。这种阻力即为粘滞力，是由于粘附在小球表面的液层与邻近液层的摩擦而产生的，它不是小球和液体之间摩擦阻力。则根据斯托克斯定律，小球受到的粘滞力为：

f=6πηrv ①

其中，η是液体的粘滞系数，r 是小球的半径，v 是小球的运动速度。

在装有液体的圆筒形玻璃管的导管D 处让小球自由下落。小球落入液体后，受到三个力的作用，即重力ρVg ，浮力ρ0Vg 和粘滞力f 的作用，其中V 是小球的体积，ρ和ρ分别为小球和液体的密度。在小球刚落入液体时，垂直向下的重力大于垂直身上的浮力和粘滞力之和，于是小球作加速运动。随着小球运动速度的增加，粘滞力也增加，当速度增加到一值v 0时，小球所受的合力为零。此后小球就以该速度匀速下落。

前面说过，式①只适用于小球在无限广延的液体内运动的情形。而在本实验中，小球是在半径为R 的装有液体的圆形管内运动。如果只考虑管壁对小球运动的影响，则式①应修改为： f=6πηrv 0（1+kr/R ） ②

式中v 0是小球在圆筒内的收尾速度，即达到匀速运动的那个速度；k 是一个常数，其值由实验室给定。由于小球以v 匀速下降，根据力的平衡方程得：

6πηrv 0（1+kr/R ）=ρVg －ρ0Vg ③

故液体的粘滞系数为：

η＝2g 2

r (ρ－ρ0)/9v 0（1+kr/R ）=g 2

d (ρ－ρ0)/18v 0（1+kr/D ）④

在小球的密度ρ、液体的密度ρ0和重力加速度g 已知的情况下，只要测出小于的直径d ，圆筒的直径D 和小球的速度v 0就可以算出液体的粘滞系数η。式中各量的单位：g 用

N/kg,d 、D 用 kg/3m ,v 0用m/s,则η的单位为N.s/2

m 即Pa.s 。

1、数据与处理：

g=____N.k 1-g ρ=_____kg.3

-m ρ0=____kg.3

-m K=____N/m S 测=____ⅹ310-m

表1 测D 值（3

10m ）

表2 测D 及td （3

10m ）、t(s)

)]/()//(//2[kd D D D d d kd t t d d r E +∆+∆+∆+∆=∆=η

η η∆=r

E ∙η=________(Pa.s)

)_______(s Pa ⋅=∆±=ηη

实验二 三线摆测定刚体转动惯量

一、实验目的

1、学习用三线摆法测量物体的转动惯量，测量相同质量的圆盘和圆环，绕同一转轴扭转时，其转动惯量不相同说明转动惯量与质量分布有关。

2、验证转动惯量的平行轴定理。

3、学习用激光光电传感器精确测量三线摆扭转运动的周期。 二、实验内容

1、测定下圆盘对于21o o 轴的转动惯量J 0和理论值进行比较。理论值公式为：

圆盘： 281

mD

J = （D 为直径）

圆环： )

(8122外内D D m J +=

2、测圆环或圆盘对于21o o 的转动惯量J ，和理论值比较。

3、验证平行轴定理。将两个直径为D 的圆柱体，使它们的间距为2d 。D 为圆柱中心轴

线与转轴间距离，两圆柱中心连线通过转轴，测得J 和J ，按公式④计算2

md 值，

并与理论值进行比较。

三、

实验设备、仪器

1、新型转动测定仪平台、米尺、游卡尺、计时计数仪、水平仪，试件为圆盘、圆环及圆柱体3种 四、实验原理

三线摆是将一个匀质圆盘，心等长的三条线线对称地悬挂在一个水平的小圆盘下面构成。这上下两个圆盘各自的悬点之间是等距的，各自构成等边三角形的三个顶点。当底圆盘B 调成水平，三线等长时，B 盘可以绕垂直于其盘面并通过两圆盘中心的轴线作扭转摆动，扭转的周期与下圆盘的转动惯量有关，三线摆法正是通过测量它的扭转周期去求任一已知质量的物体的转动惯量。在摆角很小、三悬线很长且等长，线的张力相等，上下圆盘平行，只绕轴扭转的条件下，下圆盘B 对轴21o o 的转动惯量0J 为：

22

4T

H

gRr m J π=

①

式中0m 为下圆盘B 的质量，r 和R 分别为上圆盘A 和下圆盘B 上线悬点到各自圆心1o 和2o 的距离，H 为两圆之间的垂直距离，0T 则仅为下圆盘扭转的周期。若测量质量为m 待测物体对于21o o 轴的转动惯量J ，只须将待测物体置于圆盘上，设此时扭转周期为T ，则共同的对