大学物理实验A

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期末考核

液体粘滞系数的测定

摘要：液体粘滞系数的测量应用越来越广泛，其测量的精度也越来越受大家的重视。本文论述了CCD测量技术与传统测量技术的优势以及CCD在其他测量中的广泛应用，还有CCD测量技术是对落球法测量液体粘滞系数的改进；还讲述了其余两种方法侧量液体的粘滞系数，分别是用奥氏粘度计和落针法测量。

关键词：粘滞力；CCD；收尾速度；

引言：当液体流动时，液体质点之间存在着相对运动，这时质点之间会产生内摩擦力反抗它们之间的相对运动，液体的这种性质称为粘滞性，这种质点之间的内摩擦力也称为粘滞力。粘滞系数是液体的重要性质之一，它反映液体流动行为的特征。粘滞系数与液体的性质，温度和流速有关，因此粘滞系数的测量在工程技术方面有着广泛的使用价值。如机械的的润滑，石油在管道中的传输，医疗和药物研究各种体液的粘滞性，对于疾病的诊断，治疗措施的有效性或药物对于某一疾病的有效性评估都有具大的帮助。

第一种方法：用落针法测定液体的粘度

【实验原理】

实验证明，粘滞力f的大小与两液层间的接触而积△s 和该处的速度空间变化率（常称为速度的梯度）的乘积成正比，即

（5—1）式（5-1）就是决定流体内摩擦力大小的粘滞定律，式中的比例系数η称为液体的内摩擦系数或粘滞系数。它决定于液体的性质和温度，在润滑油选择、液压传动以及液体质研究等很多方面是一项主要技术指标，其国际制单位是：“帕斯卡·秒”（Pa·s）。

[实验仪器]

本仪器采用落针法测量液体粘度（粘滞系数），既适于牛顿液体，又适于非牛顿液体，还可测量液体的密度。实验中使中空细长圆柱体（针）在待测液体中垂直下落，通过测量针的收尾速度，确定粘度。

本仪器采用霍尔传感器和多功能毫秒计（单片机计时器）测量落针的速度，并可自动计算后将粘度显示出来。巧妙的取针装置和投针装置，使测量过程极为简便。

仪器由本体、落针、霍尔传感器、单片机计时器和恒温控制等部分组成。见下图：

如图5-1，待测液体（例如蓖麻油）装在被玻璃恒温水套包围的玻璃圆筒容器中，圆筒竖直固定在机座上，机座底部有调水平的螺丝，机座上竖立一个铝合金支架。其上装有霍尔传感器、提针装置（未画出）。装在液体容器顶部的盖子上有投针装置发射器，它包括喇叭形的导杯和带永久磁钢的拉杆。此导杯便于提针和让针沿容器中轴线下落。当提针装置把针

图5-1

由容器底部提起时，针沿导杯到达盖子顶部，被拉杆上的永久磁钢吸住。投针时，拉起拉杆，针将沿容器中轴线自动下落。

1.落针

如图5-2所示，它是有机玻璃制成的中空细长圆柱体，其外半径为R2，内直径为d，平均密度为。在它的内部两端装有永久磁钢（钐钻合金或钕铁硼），异名磁极相对，另有配重的铅条，改变铅条的重量可以改变针的平均密度。两端磁钢的同名磁极间的距离为l。

2.霍尔传感器

这是灵敏度极高的开关型霍尔传感器，做成圆柱状，外部有螺纹，可用螺母固定在仪器本体的支架上，输出信号通过屏蔽电缆、航空插头接到单片机计时器上，其电路方框图如图5-3所示，传感器由+5V直流电源供电。外壳用非磁性金属（铜）封装。每当磁钢经过霍尔传感器就输出一个脉冲信号。它的使用，为非透明液体的测量带来方便。

图5-3

4.单片机计时器（多功能毫秒计）

以单片机为基础的PH—Ⅲ型多功能毫秒计，主要用于计时和处理数据。硬件采用MCS—51系列微处理芯片。

单片机计时器不仅用来计数、计时，还有存贮、运算和输出等功能。由AC220V 交流电供电，经稳压电源变为5V直流电压。输入信号经航空插座输入。6位数码管显示。

[实验原理]

当针在待测液体中沿容器中轴线垂直下落时，经过一段时间，针所受重力与粘滞阻力和浮力以及针上下端面压力差达到平衡，针变为匀速运动，这时针的速度称为收尾速度，此速度可通过测量针内两磁铁经过传感器的时间间隔t求得。

对于牛顿液面，在恒温条件下，求动力粘度η的公式为

（5—1）

式中，R 1—容器内筒半径；R 2一落针外半径；V ∞—针下落收尾速度；g —重力加速度；—针的有效密度；—液体密度；其中壁和针长的修正系数为：

C W = 1―2.04K+2.09K 2―0.95K 5 （5—2）

其中K=R 2 / R 1

L r = (L ―2R 2)/2R 2 （5—3） 在实际情况下，上面（1）式可作简化，并考虑到V ∞ = l / t

l —两磁钢同名磁极的间距

t —两磁钢经过传感器的时间间隔

则（5-1）式可改写为：

（5—4）

在变温条件下，还必须考虑到液体密度随温度的改变

（5—5）

值可用实验方法确定，对蓖麻油大约

℃

20℃ = 950kg/m 3， t 0=20℃

这样，将（5—5）式代入（5—4）式，即可计算粘度η。

因为仪器已经将计算粘度η的程序固化在芯片中，所以，利用单片机

可将粘度η计算并显示出来，实现了智能化。

【实验步骤】

1. 将仪器放在平整的桌面上，将待测液体注满容器，用底脚螺母调节平台水平，即圆筒容器坚直。

2. 将仪器本体的橡皮管连接到温控系统上。下面的橡皮管连接到温控系统后面

板上的出水孔，再将上面的橡皮管连回水孔。水箱中注水，经检查确认没渗漏后，将仪器、机身和桌面擦干，将粘度计本体的霍尔传感器和温度传感器的连线连到相应的插座上，再将仪器接到220V交流电源上。

3. 接通电源，仪器显示此时液压油的初温。

4. 按计时器的复位键，显示“PH2”，（此时霍尔传感器的LED灯应亮）表示

毫秒计进入复位状态。

5. 将投针装置的磁铁拉起。按“2”显示“H”，“L”表示毫秒计进入计时待

命状态。稍待片刻，让针落下，液晶显示时间（单位：毫秒），按A键将提

示修改参数，第一次显示落针的有效密度（2260）、第二次显示蓖麻油的有效密度（950）（其他液体根据实验指导老师提示修改）、第三次按A键显示该设定参数下的液体粘度，记下相应数据。

6. 用取针装置将针提起，重复测量。

7. 控制器按钮调到需要的温度，按下温控开关，启动水泵。在水浴加热过程中

红色指示灯亮，到达设定温度后红色指示灯变为绿灯，表示正在保温。由于热惯性，需待一段时间后，才能达到热平衡，记下此时液体的温度。重复4、5步。

8. 依次设置不同的温度，多次测量。

9. 用列表法和作图法处理数据。

【引起误差原因】

1、由于实验公式在推导过程中假设了小球在无限广的液体中，而实际上是在有限广的液体中，要尽可能地减少误差，应当使小球四周受力对称，故应在中心处落下，否则，将会增大系统性误差。在实验中很难保证针每次都保持垂直下落。

2.用提针器将针提起悬挂在容器上端后，由于液体受到扰动，于不稳定状态，就开始测量了。

3.提针器使用不当对针的下落造成影响而引起误差。

4.针在下落过程中应保持垂直状态：

若针头部偏向霍耳探头，时间数据偏大。

若针尾部偏向霍耳探头，时间数据偏小。