用計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量液體的粘滯系數(shù)

吳 斌,王 穎,田冰濤,黃原點(diǎn),陳東生

(上海電力學(xué)院,上海 200090)

用計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量液體的粘滯系數(shù)

吳 斌,王 穎,田冰濤,黃原點(diǎn),陳東生

(上海電力學(xué)院,上海 200090)

主要說(shuō)明用自制光電門配合計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量液體粘滯系數(shù)的原理和方法,當(dāng)小球擋住光電門的光路時(shí),會(huì)使光敏管產(chǎn)生一個(gè)電脈沖,可以利用計(jì)算機(jī)聲卡配合audition軟件捕捉這個(gè)脈沖,從而實(shí)現(xiàn)小球下落時(shí)間的測(cè)量,提高實(shí)驗(yàn)的精確度。

光電門;液體粘滯系數(shù);計(jì)算機(jī);Audition軟件

液體粘滯系數(shù)又稱液體粘度。流體流動(dòng)時(shí),其質(zhì)點(diǎn)之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng),會(huì)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力反抗它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),液體的這種性質(zhì)稱為粘滯性。質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦力稱為粘滯力。粘滯系數(shù)反映液體流動(dòng)行為的特征。粘滯系數(shù)與液體的性質(zhì)、溫度和流速有關(guān),因此,粘滯系數(shù)的測(cè)量在工程技術(shù)方面有著廣泛的使用價(jià)值。如機(jī)械的潤(rùn)滑,石油在管道中的傳輸,油脂涂料,醫(yī)療和藥物等方面,都需要測(cè)定粘滯系數(shù)。本次實(shí)驗(yàn)采用落球法測(cè)量液體的粘滯系數(shù)。

1 Audition軟件的介紹

Audition可提供先進(jìn)的音頻混合、編輯、控制和效果處理功能。最多混合128個(gè)聲道,可編輯單個(gè)音頻文件,創(chuàng)建回路并可使用45種以上的數(shù)字信號(hào)處理效果。Audition是一個(gè)完善的多聲道錄音室,可提供靈活的工作流程并且使用簡(jiǎn)便。本實(shí)驗(yàn)利用Audition的數(shù)字信號(hào)處理功能和單個(gè)音頻文件編輯功能。實(shí)驗(yàn)中,可以從Audition的界面中讀出下落時(shí)間t。

2 光電門的制作與數(shù)據(jù)記錄原理

本裝置利用了激光二極管和光敏管。由于光敏管在感光時(shí)會(huì)產(chǎn)生微小電脈沖,所以將激光二極管和光敏管組合,用計(jì)算機(jī)USB端口提供激光二極管電源,光敏管直接連接計(jì)算機(jī)麥克風(fēng)接口,就可做成一個(gè)光電門。當(dāng)用物體擋光時(shí),光敏管就會(huì)產(chǎn)生脈沖,用聲卡配合Audition記錄脈沖,當(dāng)有多個(gè)光電門時(shí),就能記錄多個(gè)脈沖,Audition軟件中兩個(gè)脈沖之間的距離就是時(shí)間差Δt[1-2]。

圖1 光電門原理圖

3 實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)金屬小球在液體中下落時(shí),它受到三個(gè)鉛直方向的力:重力mg(m為小球質(zhì)量)、液體作用于小球的浮力ρgV(V是小球體積,ρ是液體的密度)和粘滯阻力F(其方向與小球運(yùn)動(dòng)方向相反)。如果金屬小球在無(wú)限深廣的液體中下落,且當(dāng)小球下落速度較v小時(shí),存在關(guān)系式[3]:

上式稱為斯托克斯公式,其中r是小球的半徑;η(單位是Pa·s)稱為液體的粘度。

在粘滯性液體中下落時(shí),小球所受的阻力和它的下落速度有關(guān),且速度越大,阻力越大當(dāng)小球開(kāi)始下落時(shí),由于速度尚小,所以阻力不大;但隨著下落速度的增大,阻力也隨之增大,最后三個(gè)力達(dá)到平衡,這時(shí)有:

式中ρ′為小球材料的密度,l為小球勻速下落的距離,t為小球在下落距離為時(shí)所用的時(shí)間,即為Δt。

斯托克斯定律要求小球是在無(wú)限寬廣的液體中下落,但實(shí)際容器的直徑和深度總是有限的,故實(shí)際的速度v要乘上修正因子

其中D為管子的內(nèi)直徑,H是液體深度。于是,落球法求液體粘滯系數(shù)的實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式為

4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)如圖2所示,連接好光電門裝置,并在量筒中倒入蓖麻油,調(diào)整量筒至水平。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

(2)調(diào)整好激光器和接收管的高度和它們之間的距離,用標(biāo)準(zhǔn)刻度尺測(cè)得兩紅外光敏管之間距離為l。

(3)打開(kāi)計(jì)算機(jī)上的Audition軟件,新建波形。

(4)選擇直徑為d的小球從量筒的中心軸線位置上放入,使之能剛好擋住激光發(fā)生器的光,使紅外光敏管能產(chǎn)生脈沖信號(hào),并利用聲卡,測(cè)出l距離內(nèi)的時(shí)間t,時(shí)間t即為波峰或波谷之間的距離,如圖3所示以兩波谷為例。

圖3 時(shí)間波形圖

(5)帶入η公式,得出η。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)中,待測(cè)液體石蓖麻油,溫度為14.2℃,采用直徑為3mm的小球,小球密度ρ=7.90×103kg/m3,油的密度ρ′=0.96×103kg/m3,g=9.80 kg/s2。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié) 論

自制光電門配合計(jì)算機(jī)輔助軟件捕捉脈沖電信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小球下落時(shí)間的測(cè)量,提高實(shí)驗(yàn)的精確度。

[1]閻心語(yǔ).新型氣墊導(dǎo)軌光電門的制作[J].發(fā)明與創(chuàng)新,2010(05):30-31.

[2]麻則運(yùn),彭何歡.基于Audition與聲卡的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)定 [J].物理實(shí)驗(yàn),2010,30(7):34-36.

[3]陳東生,崔璐,等.數(shù)碼相機(jī)在液體黏度測(cè)量中的應(yīng)用[J].物理實(shí)驗(yàn),2005,25(10):37-39.

Assisting in Measuring Viscosity Coefficient by Computer

WU Bin,WANG Ying,TIAN Bing-tao,HUANG Yuan-dian,CHEN Dong-sheng

(Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090)

This article is tOdescribe the principles and methods of how tOuse the computer tOassist in measuring the liquid viscosity coefficient with a self-made photOgate.Blocking optical light path,the ball makes the photodiode generate an electrical pulse.The pulse,which can measure the ball falling time and increase accuracy of the experiment,can be captured by the audition with the sound card of computer.

optical gate;liquid viscosity coefficient;computer;audition software

O411.2

A

1007-2934(2011)04-0063-03

2011-03-02

上海市大學(xué)生科研創(chuàng)新基金資助(A84192)