落球法测液体黏度Word格式.docx
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项的影响变大。
3、容器壁的影响
考虑到容器壁的影响,式(3)变为F=6πηrv(1+2.4
rR
)(1+3.3
rh)(1+
Re+...)
108019
4、η的表示
考虑一种特殊情况:
小球的液体中下落时,重力方向向下,而浮力和粘滞阻力向上,阻力随着小
球速度的增加而增加。
显然,小球从静止开始作加速运动,当小球的下落速度达到一定值时,这三个力的合力等于零,这时,小球将以匀速下落,由式(4)得
43
πr(ρ-ρ0)g=6πηrv(1+2.4
3
rh
)(1+
Re+...)1080
19
式中ρ是小球的密度,g为重力加速度,由式(5)得
η=
29118
v(1+2.4
d2R
(ρ-ρ0)gr
=
(ρ-ρ0)gd
d2h)(1+
16
式中d是小球的直径。
第1页共8页
由对Re的讨论,我们得到以下三种情况:
(1)当Re<
0.1时,可以取零级解,则式(6)就成为η=1
(ρ-ρ0)gdv(1+2.4
d2h)
18
(2)0.1<
Re<
0.5时,可以取一级近似解,式(6)就成为η(1+3R)=1
1e
(3)当Re>
0.5时,还必须考虑二级修正,则式(6)变成
η2(1+
R)=
e
118
在实验完成后,作数据处理时,必须对Re进行验算,确定它的范围并进行修正,得到符合实
验要求的粘度值。
实验内容:
1、设计寻找小球匀速下降区的方法,测出其长度l;
2、用螺旋测微器测定6个同类小球的直径,取平均值并计算小球直径的误差;
3、用电子天平测量6个同类小球质量,并取其平均值;
4、将一个小球在量筒中央尽量接近液面处轻轻投下,使其进入液面时初速度为零,测出小球通过匀速下降区l的时间t,重复6次,取平均值,然后求出小球匀速下降的速度;
5、用相应的仪器测出R、h和ρ0(应各测量三次)及液体的温度T,温度T应取实验开始时
的温度和实验结束时的温度的平均值。
应用式(7)计算η0;
6、计算雷诺数Re,并根据雷诺数的大小,进行一级或二级修正;
7、选用三种不同直径的小球进行实验。
原始数据:
球直径和质量的测量
匀速区长度三次分别为18.75cm,18.72cm,18.79cm实验前温度为21.90℃,实验后温度为21.71℃量筒和油的基本数据为
第2页共8页
球通过匀速区的时间为
数据处理与误差分析:
1、小球直径
1大球直径○
平均值d大=
0.3979+0.3988+0.3958+0.3970+0.3985+0.3962
6
=0.3974cm
∑(d
标准差σ大=
i=1
i
-d大)
6-1
=0.0011cm
展伸不确定度Ud
2中球直径○
平均值d中=
大
uA+∆B
⎛0.0011
2.57⨯
6⎝⎫
⎪⎪+0.0004⎭
=0.0012cm,P=0.95
0.3003+0.3003+0.3004+0.3008+0.3001+0.3002
=0.3004cm
标准差σ中=
-d中)
=0.0002cm
3小球直径○
平均值d小=
中
⎛0.0002
=0.0005cm,P=0.95
0.1581+0.158+0.1579+0.1580+0.1580+0.0585
=0.1581cm
标准差σ小=
-d小)
2、小球质量
1大球质量○
小
第3页共8页
平均值m大=
0.2615+0.2599+0.2611+0.2549+0.2575+0.2600
=0.2592g
∑(m
-m大)
=0.0023g
展伸不确定度Um
2中球质量○
平均值m中=
⎛0.0023
⎪⎪+0.0001⎭
=0.0024g,P=0.95
0.1105+0.1112+0.1120+0.1116+0.1111+0.1118
=0.1114g
-m中)
=0.0005g
3小球质量○
平均值m小=
⎛0.0005
=0.0005g,P=0.95
0.0175+0.0169+0.0167+0.0171+0.0166+0.0165
=0.0169g
-m小)
=0.0003g
3、小球密度
⎛0.00032.57⨯
=0.0003g,P=0.95
根据上面求得的球的质量和直径,根据公式ρ=
m43
,
π(d/2)
可得大球密度ρ大=
0.259243
=7.89g/cm
π(0.3974/2)
第4页共8页
中球密度ρ中=0.11144
3=7.85g/cm33π(0.3004/2)
小球密度ρ小=0.01694
3=8.17g/cm33π(0.1581/2)
4、匀速区长度
长度平均值l=18.75+18.72+18.79
3cm=18.75cm
∑(l
标准差σ=i=1i-l)2
3-1
2=0.029cm2展伸不确定度Uσ=
5、小球下落时间1大球时间○uA+∆B2=⎛0.029⎫24.30⨯⎪+0.02=0.074cm,P=0.95⎪3⎭⎝
平均值t大=3.07+3.05+3.12+3.04+3.04+3.05
6=3.06s
∑(t
标准差σ大=i=1i-t大)26-1
2=0.028s2展伸不确定度Ut
2中球时间○
平均值t中=
6大=uA+∆人2=⎛0.028⎫22.57⨯⎪+0.02=0.036s,P=0.95⎪6⎭⎝5.08+5.29+5.13+5.25+5.18+5.096=5.17s
标准差σ中=i=1i-t中)26-1
2=0.079s2展伸不确定度Ut=中uA+∆人2=⎛0.079⎫22.57⨯⎪+0.02=0.085s,P=0.95⎪6⎭⎝
3小球时间○
平均值t小=18.09+18.20+18.13+17.84+18.13+18.40
第5页共8页=18.13s
标准差σ小=i=1i-t小)26-1
2=0.165s2展伸不确定度Ut
6、小球下落速度根据公式v=l
t小=uA+∆人2=⎛0.1652.57⨯6⎝⎫2⎪⎪+0.02=0.174s,P=0.95⎭
0.1875
3.06
5.17
18.13=0.061m/s=0.036m/s=0.010m/s可得大球速度v大=中球速度v中=小球速度v小=
7、量筒和油的参数
1量筒直径○
平均值D=8.124+8.132+8.130
3=8.129cm
∑(D
标准差σDi-D)2=i=13-1
2=0.0034cm2展伸不确定度UD=
2液面高度○uA+∆B2=⎛0.00344.30⨯3⎝⎫⎪⎪+0.002⎭2=0.0087cm,P=0.95
平均值h=44.48+44.40+44.41
3=44.43cm
∑(h
标准差σh=i=1i-h)23-1
2=0.036cm2展伸不确定度Uh=
3油的密度○uA+∆B2=⎛0.036⎫24.30⨯⎪+0.02=0.092cm,P=0.95⎪3⎭⎝
平均值ρ0=959.3+958.7+959.03=959.0kg/m3
第6页共8页
∑(ρ
标准差σ
ρ0
0i
-ρ0)
=0.245kg/m
展伸不确定度Uρ=
⎛0.2454.30⨯
3⎝⎫2
⎪⎪+0.1=0.616kg/m⎭
,P=0.95
8、计算液体的黏度首先利用公式η=1
1大球测量○
,再求雷诺系数
η=1
(7890-959)kg/m∙g(0.003974m)
0.061m/s(1+2.4
0.003974m0.08129m
32
180.003974m2⨯0.4443m
=0.86Pa⋅s)
雷诺数Re=
2vρ0r
2⨯959kg/m⨯0.001987m⨯0.061m/s
0.86Pa⋅s
=0.27
因为0.1<
0.5,所以要作一级修正η1=η0-
dvρ0=0.82Pa⋅s
0.82Pa⋅s
=0.28
0.5,不需要作二级修正
2中球测量○η=1
2⨯959kg/m⨯0.001502m⨯0.036m/s
0.85Pa⋅s
(7850-959)kg/m∙g(0.003004m)
0.036m/s(1+2.4
0.003004m0.08129m
180.003004m2⨯0.4443m
=0.85Pa⋅s)
=0.12
dvρ0=0.83Pa⋅s
0.83Pa⋅s
3小球测量○
第7页共8页
(8170-959)kg/m∙g(0.001581m)
0.010m/s(1+2.4
180.001581m2⨯0.4443m
2⨯959kg/m⨯0.0007905m⨯0.010m/s
=0.02
因为Re<
0.1,所以不作一级修正
9、温度
实验前温度为21.90℃,实验后温度为21.71℃所以平均温度约为21.80℃
最终结论:
在温度为21.80℃的情况下,蓖麻油的黏度为用大球测量0.82Pa⋅s用中球测量0.83Pa⋅s用小球测量0.85Pa⋅s
4
思考题:
2、匀速时有方程6πηρ0v=
π(ρ-ρ0)gR,即v=kR2,加速度a=πR(ρ-ρ0)g-6πηρ0v
ρRπ
即
vdvds
dvdt
=a=
k1R-k2vk3R
S为到达匀速区前的位移,积分得S=(k4-k5)R,
可得出R越大非匀速运动位移越大,所以当材质相同但直径较大时,该区间不一定是匀速区。
第8页共8页
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- 落球法测 液体 黏度
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