大物创新实验.doc

测
定
液
体
粘
滞
系
数
实
验

信息学院
计信2班
组员：吴思琪娄丽梅李亚

测量液体粘滞系数方法有多种,如多管落球法、转筒法、毛细管法等,其中落球法是最基本的一种,多管法又是其中一种。它是使用落球法测出小球下落时间,应用作图法结合外推法处理数据的方法,具有原理简单,实验方法设计巧妙,仪器简单,操作方便,实验成本低,损耗小等优点,非常适合学生进行相关方面的实验。实验过程中,由于小球直径很小,操作方法不当,外界因素对温度等测量环境的影响,往往造成实验结果误差较大。
【实验目的】
在实验过程中,适当改进实验仪器和实验方法,以减小实验测量误差，提高测量结果的精确度。
学会探究影响误差的因素，加以改进。
【实验内容】
用斯托克斯公式测定液体的粘滞系数，探究其影响时间误差的因素，实验验证。
【实验仪器与用具】
液体粘滞系数仪、秒表、钢卷尺、镊子、钢球、磁铁、温度计、凸透镜、滴管、水泡水准器、读数显微镜

【实验原理】
根据斯托克斯定律,光滑的小球在无限广延的液体中运动时,当液体的粘滞性较大,小球的半径很小,且在运动中不产生旋涡,那么小球所受到的粘滞阻力f为f=-3πηvd。我们一般应用多管落球法来测量液体的粘滞系数。小球在液体中作自由下落时,受到三个力的作用,三个力都在垂直方向,即重力ρgv、浮力ρ0gv、粘滞阻力f。开始下落时小球运动的速度较小,相应的阻力也小,重力大于粘滞阻力和浮力,所以小球作加速运动。由于粘滞阻力随小球的运动速度增加而逐渐增加,加速度也越来越小,当小球所受合外力为零时,趋于匀速运动,此时的速度称为收尾速度,记为v0。经计算可得液体的粘滞系数为η=(ρ-ρ0)gd2/18v0。为了测得v0,实验采用外推作图法来来求v0。实验中采用多管的液体粘滞系数仪,如图1所示。

用一组直径D不同的装有待测液体的管子,安装在同一水平底板上,每个管子上两刻线间的距离S均相等。依次测出小球通过管中的两刻线间所需的时间ti,以t为纵坐标轴,以1/D为横坐标轴,根据实验数据作出直线,延长该直线与纵轴相交,其截距为t0,就是当D→∞时,即在“无限广延”的液体中,小球匀速下落通过S所需时间。
所以有v0=St0
代入公式
η=(ρ-ρ0)gd2/18v0
就能求出液体的粘滞系数。

【实验步骤与注意事项】
调节实验装置底板，用水泡水准器观察使其水平，以保证玻璃管中心轴线处于铅直状态。
用读数显微镜测量小球的直径，在不同地方测量5次取平均值。
用镊子夹起小钢球，在所在液体中浸润一下，细心地放入第一根馆子上口的中心处，用秒表记录小球通过刻线的时间。

【问题分析及改进方法】
通过多次实验测量与分析发现,落球法测定液体粘滞系数实验中,主要实验误差来源于在测量过程中,小球在管子中下落时间的计时过程存在误差。而产生小球下落时间测量误差的因素主要有以下几方面:
1、观测者对小球下落经过刻线时位置判断不准确,造成计时不准。
实验中为了保证小球半径远远小于管子直径,所用小球直径很小。在小球下落中,学生操作稍有疏忽,或者任何外力干扰,都会造成在小球真正经过刻度线时,学生没能及时开始计时或停止计时,即人为测量误差较大。虽然可以通过使用光电感应装置来代替人工计时,但必须加大小球的尺度,以达到光电仪器的敏感度。为了保证小球半径远远小于管子直径,小球尺度的增大,势必造成管子尺度的相应增大,这样虽然减小了相关读数误差,又会增加系统误差。
为了既不增大小球直径,又能够尽可能的减小人为读数误差,我们将管子的管壁作了一个改进,如图2所示,在每个管子的刻线处,增加了一个凸透镜。通过这个凸透镜来观察测量,可以对待测物进行放大。这样每当小球下落经过刻线时,由于其尺度被放大,使学生可以仔细观察,能够做到在小球底部恰好到达刻线时开始和停止计时;又由于限定了观测范围,可以吸引学生集中注意力,避免了其它疏失误差,提高了读数的准确度。

2、小球下落偏离轴线方向,管壁对小球运动状态影响加大，小球下落时应当尽可能在管子轴线上进行,才能最大限度的减少管壁对小球运动状态的影响。可是实验中,学生靠目测进行估计,往往不能准确判定管子的轴线方向。而且如果取放小球工具不当,会导致小球释放到管子中时,下落轨迹偏离轴线,从而增加管壁对小球运动状态的影响,产生很大误差。甚至有时由于操作失误,小球不能保证由静止开始下落,下落时带有水平初速度,这就更造成了许多不必要的误差。
我们将取放小球工具改成使用滴管来将小球吸入,释放时只需使小球和液体同时在滴管口形成液滴,使之轻触待测管子的液面(这时需要注意不要有释放的初速度),小球就可沿着预定路线自由下落了,不会再产生不必要的水平初速度,而且操作简单快捷。
为了简单易行的确定管子轴线位置,我们在操作中,在管子的水平底板上画了一些直