測量液體粘滯系數(shù)實驗的探討

李 臻，李 勇，許健敏，高亞妮

（華南理工大學 理學院物理系，廣東 廣州 510640）

測量液體粘滯系數(shù)實驗的探討

李 臻，李 勇，許健敏，高亞妮

（華南理工大學 理學院物理系，廣東 廣州 510640）

文章采用落針法研究了蓖麻油粘滯系數(shù)與溫度的關(guān)系。首先通過實驗儀器測量并計算落針在不同溫度蓖麻油中的粘滯系數(shù)，然后根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出粘滯系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線，最后對實驗結(jié)果進行了誤差分析，指出了該實驗存在的不足之處，提出了改進的方法。

落針法；粘滯系數(shù)；曲線擬合

引言

當液體內(nèi)各部分之間有相對運動時，接觸面之間存在的內(nèi)摩擦力為粘滯力。粘滯力大小與接觸面面積以及接觸面處的速度梯度成正比，比例系數(shù)稱為粘滯系數(shù)。在物理實驗中，流體粘滯系數(shù)測定方法有落針法、落球法、扭擺法、毛細管法等。其中落針法是測量過程較為簡便的一種，既可測牛頓液體，也可測非牛頓液體和不透明液體。PH-Ⅲ型變溫粘滯系數(shù)實驗儀是一種采用落針法測量液體粘滯系數(shù)的實驗儀器，但在測量蓖麻油粘滯系數(shù)時發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)不夠準確，存在較大偏差。文章對上述實驗進行了分析，并提出了改進意見。

1 實驗儀器及實驗原理

PH-IV型變溫粘滯系數(shù)實驗儀由粘度計本體、落針、控溫裝置、霍爾傳感器、單板機計時器、溫度控制系統(tǒng)等幾部分組成。本體由內(nèi)外套裝的兩個圓筒容器組成，筒壁間熱水循環(huán)流動對內(nèi)筒待測液體進行水浴加熱，通過控溫裝置達到預(yù)定溫度。實驗時，中空長圓柱體型落針在待測液體中豎直下落，用霍爾傳感器和單片板計時器測量落針的收尾速度和時間間隔，由單板板計算出液體的粘滯系數(shù)。圖1為實驗儀器操作面板示意圖。

圖1 實驗儀器操作面板示意圖

落針在液體中沿容器中軸線緩慢豎直下落受到重力、浮力和粘滯阻力的作用。經(jīng)過一段時間后，三力達到平衡，落針作勻速運動。對于牛頓液體，在恒溫條件下粘滯系數(shù)η為：，針長的修正系數(shù)為，其中g(shù)為重力加速度，R1為容器內(nèi)筒半徑，R2為落針外半徑，L為兩磁鐵同名磁極的間距，t為落針兩磁鐵經(jīng)過傳感器的時間。

因為已將計算η的程序固化在EPROM中，所以，利用單板機可將粘滯系數(shù)η計算并顯示出來，從而實現(xiàn)了智能化。

2 實驗內(nèi)容及步驟

（1）接通電源，按下控溫按鈕，自動水泵對待測液體水浴加熱，將溫度控制器編碼開關(guān)調(diào)到某一溫度，此時紅色指示燈（OUT燈）亮，用取針裝置將液體中的針拉起來并懸掛在容器頂端。

（2）到達設(shè)定溫度后，紅色指示燈（OUT燈）滅，進行保溫。由于熱慣性，液體溫度需過一段時間才能達到平衡。記下容器中酒精溫度計的讀數(shù)（此為液體的溫度），這時霍爾傳感器上的LED燈應(yīng)亮。

（3）按“復(fù)位”鍵，顯示“PH-2”，表示已經(jīng)進入復(fù)位狀態(tài)。

（4）按“2”鍵，顯示“H”或“L”，表示毫秒計進入計時待命狀態(tài)。

（5）將投針裝置的磁鐵拉起，讓針沿圓筒中心軸線落下，稍等片刻，數(shù)顯表顯示時間（單位：ms）。按“A”鍵，第一次顯示落針的有效密度，第二次顯示蓖麻油的有效密度，第三次顯示該設(shè)定溫度下的液體粘度。

（6）記錄設(shè)定溫度下的液體粘度。

（7）繼續(xù)加熱液體，用上述相同的方法測出其它設(shè)定溫度下的液體粘度。溫度從20°C左右開始逐漸遞增3°C，共做10次。

（8）作粘度與溫度的關(guān)系曲線。

3 實驗數(shù)據(jù)

實驗中，鑒于實驗室的溫度條件，筆者針對25°C-50°C溫度范圍，測量了三組蓖麻油粘滯系數(shù)數(shù)據(jù)，如表1所示。

筆者著重對儀器顯示的粘滯系數(shù)表1做分析。先計算數(shù)據(jù)的標準差，如圖2所示。由圖2可知個別數(shù)據(jù)偏差較大，先剔除錯誤數(shù)據(jù)，再對實驗數(shù)據(jù)求平均值，如圖3所示。對平均值分布做了指數(shù)曲線擬合，所得的曲線為：η=3.3405e-0.059T，經(jīng)計算得R2=0.9834，即R=0.991665，非常接近于1，說明擬合曲線基本反映了實驗數(shù)據(jù)的變化趨勢。

表1 蓖麻油粘滯系數(shù)數(shù)據(jù)

圖2 實驗數(shù)據(jù)標準差圖

圖3 實驗數(shù)據(jù)平均值圖

在圖3中，我們可以看出，在25°C-50°C之間，蓖麻油的粘滯系數(shù)隨著溫度的升高逐漸降低，即溫度越高，落針的下落速度越快，蓖麻油對其運動的阻礙越小，且當溫度超過40°C左右，液體的粘滯系數(shù)變化較不明顯，呈平緩下降。

圖4 蓖麻油粘滯系數(shù)的標準值圖

查PH-Ⅲ型變溫粘滯系數(shù)實驗儀測量蓖麻油粘滯系數(shù)的標準值，如圖4所示。與圖3比較可知，在25°C-50°C之間，本次實驗數(shù)據(jù)整體在溫度方向有一定的誤差移動，這主要來自溫度測量的誤差，因為每次落針運動的時間間隔基本不變，所以這個誤差是相同的，并不影響曲線形狀的變化，本實驗依然反映了蓖麻油粘滯系數(shù)與溫度的變化關(guān)系。

4 誤差分析

實際上，在本次實驗中，筆者測量蓖麻油的溫度發(fā)現(xiàn)：試驗儀溫度指示器顯示的溫度和蓖麻油的實際溫度存在一定偏差，顯示溫度比實際溫度大了近2℃。誤差產(chǎn)生的主要原因是由于測量溫度不準確，沸水注入玻璃管外管后溫度有所下降，溫度測量與落針過程存在時間差，而蓖麻油本身由于傳熱不均勻，在管中存在很大的溫差。落針的受力及落針的豎直偏角都是誤差產(chǎn)生的原因，最終都影響了測量的結(jié)果。所以，本實驗裝置存在一定的局限性。

5 改進建議及結(jié)論

針對誤差分析，可以做如下改進。首先，在玻璃管中的傳感部分增加一個溫度傳感器，測出落針實驗時的液體溫度，將會大大提高數(shù)據(jù)的準確性。其次，改進導(dǎo)向蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如縮短上端頸部長度，加大頸部直徑，以減小其對落針偏角修正的制約。還可以考慮優(yōu)化單片板的程序，減少計算誤差；以及增加預(yù)熱時間，讓蓖麻油充分受熱。

［1］倪新蕾，等.大學物理實驗［M］.廣州：華南理工大學出版社，2005.

［2］吳望生，等.落針式粘滯系數(shù)實驗儀的誤差分析與改進［J］.實驗室研究與探索，2009，（3）：46.

［3］王晶.蓖麻油粘滯系數(shù)與溫度關(guān)系實驗的研究［J］.科技信息，2010，（25）：21.

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O52

A

1673-2014（2011）05-0033-03

2011—05—11

華南理工大學“學生研究計劃（SRP）”：溫度對液體粘滯系數(shù)影響的實驗研究。

李 臻（1989— ），男，山西長治人，主要從事物理學研究。

（責任編輯 李學斌）