【大学实验】落球法测黏滞系数

落球法测量液体粘滞系数 Revised by BLUE on the afternoon of December 12,2020.落球法测量液体粘滞系数各种实际液体具有不同程度的粘滞性，当液体流动时，平行于流动方向的各层流体速度都不相同，即存在着相对滑动，于是在各层之间就有摩擦力产生，这一摩擦力称为粘滞力，它的方向平行于接触面，其大小与速度梯度及接触面积成正比，比例系数η称为粘度，它是表征液体粘滞性强弱的重要参数。

液体的粘滞性的测量是非常重要的，例如，现代医学发现，许多心血管疾病都与血液粘度的变化有关，血液粘度的增大会使流入人体器官和组织的血流量减少，血液流速减缓，使人体处于供血和供氧不足的状态，这可能引起多种心脑血管疾病和其他许多身体不适症状。

因此，测量血粘度的大小是检查人体血液健康的重要标志之一。

又如，石油在封闭管道中长距离输送时，其输运特性与粘滞性密切相关，因而在设计管道前，必须测量被输石油的粘度。

测量液体粘度有多种方法，本实验所采用的落球法是一种绝对法测量液体的粘度。

如果一小球在粘滞液体中铅直下落，由于附着于球面的液层与周围其他液层之间存在着相对运动，因此小球受到粘滞阻力，它的大小与小球下落的速度有关。

当小球作匀速运动时，测出小球下落的速度，就可以计算出液体的粘度。

【实验目的】1．学习用激光光电传感器测量时间和物体运动速度的实验方法2．用斯托克斯公式采用落球法测量油的粘滞系数（粘度）3．观测落球法测量液体粘滞系数的实验条件是否满足，必要时进行修正。

【实验原理】1．当金属小球在粘性液体中下落时，它受到三个铅直方向的力：小球的重力ρ（V是小球体积，ρ是液体mg（m为小球质量）、液体作用于小球的浮力gV密度）和粘滞阻力F（其方向与小球运动方向相反）。

如果液体无限深广，在小球下落速度v较小情况下，有=6rvFπη（1）上式称为斯托克斯公式，其中r 是小球的半径；η称为液体的粘度，其单位是s Pa ⋅。

实验八落球法测量液体粘滞系数概述当液体流动时，平行于流动方向的各层流体速度都不相同，即存在着相对滑动，于是在各层之间就有摩擦力产生，这一摩擦力称为粘滞力，它的方向平行于两层液体的接触面，其大小与速度梯度及接触面积成正比，比例系数η称为粘度，它是表征液体粘滞性强弱的重要参数。

液体的粘滞性的测量是非常重要的，例如，现代医学发现，许多心血管疾病都与血液粘度的变化有关，血液粘度的增大会使流入人体器官和组织的血流量减少，血液流速减缓，使人体处于供血和供氧不足的状态，这可能引起多种心脑血管疾病和其他许多身体不适症状。

因此，测量血粘度的大小是检查人体血液健康的重要标志之一。

又如，石油在封闭管道中长距离输送时，其输运特性与粘滞性密切相关，因而在设计管道前，必须测量被输石油的粘度。

各种实际液体具有不同程度的粘滞性。

测量液体粘度有多种方法，本实验所采用的落球法是一种绝对法测量液体的粘度。

如果一小球在粘滞液体中铅直下落，由于附着于球面的液层与周围其他液层之间存在着相对运动，因此小球受到粘滞阻力，它的大小与小球下落的速度有关。

当小球作匀速运动时，测出小球下落的速度，就可以计算出液体的粘度。

一、实验目的1、用落球法测液体的粘滞系数；2、研究液体粘滞系数对温度的依赖关系。

二、仪器装置1、THQNZ-1型液体粘滞系数测量实验仪；2、小钢球；3、蓖麻油(自备)；4、钢卷尺；5、千分尺；6、游标卡尺；7、温度计。

液体粘滞系数实验仪如图1所示。

三、实验原理1、当金属小球在粘性液体中下落时，它受到三个铅直方向的力：小球的重力mg（mρ（V是小球体积，ρ是液体密度）和粘滞阻力为小球质量）；液体作用于小球的浮力gVF（其方向与小球运动方向相反）、如果液体无限深广，在小球下落速度v较小情况下，有=（1）6Fπηrv上式称为斯托克斯公式，其中r 是小球的半径；η称为液体的粘度，其单位是s Pa ⋅。

小球开始下落时，由于速度尚小，所以阻力也不大；但随着下落速度的增大，阻力也随之增大、最后，三个力达到平衡，即vr gV mg πηρ6+=于是，小球作匀速直线运动，由上式可得：vrgV m πρη6)(-=令小球的直径为d ，并用3'6m d πρ=，v l t =，2r d =代入上式得ltgd 18)(2'ρρη-=（2） 其中'ρ为小球材料的密度，l 为小球匀速下落的距离，t 为小球下落l 距离所用的时间。

实验二 落球法测液体的粘滞系数【实验目的】(1) 练习用停表计时，用螺旋测微器测直径。

(2) 掌握落球法测不同温度下蓖麻油的黏度。

【实验仪器】(1)落球法变温黏度测量仪变温粘度仪的外型如图1所示。

待测液体装在细长的样品管中，能使液体温度较快的与加热水温达到平衡，样品管壁上有刻度线，便于测量小球下落的距离。

样品管外的加热水套连接到温控仪，通过热循环水加热样品。

底座下有调节螺钉，用于调节样品管的铅直。

(2)开放式PID 温控实验仪温控实验仪包含水箱，水泵，加热器，控制及显示电路等部分。

本温控试验仪内置微处理器，带有液晶显示屏，具有操作菜单化，能显示温控过程的温度变化曲线和功率变化曲线及温度和功率的实时值，能存储温度及功率变化曲线，控制精度高等特点，仪器面板如图2所示。

开机后，水泵开始运转，显示屏显示操作菜单，可选择工作方式，输入序号及室温，设定温度及PID 参数。

使用键设置参数，按图2 温控实验仪面板 图1 变温粘度仪样品管加热水套出水孔进水孔支架底座确认键进入下一屏，按返回键返回上一屏。

进入测量界面后，屏幕上方的数据栏从左至右依次显示序号，设定温度，初始温度，当前温度，当前功率，调节时间等参数。

图形区以横坐标代表时间，纵坐标代表温度（以及功率），并可用键改变温度坐标值。

仪器每隔15秒采集1次温度及加热功率值，并将采得的数据标示在图上。

温度达到设定值并保持两分钟温度波动小于0.1度，仪器自动判定达到平衡，并在图形区右边显示过渡时间ts，动态偏差σ，静态偏差e。

一次实验完成退出时，仪器自动将屏幕按设定的序号存储（共可存储10幅），以供必要时查看，分析，比较。

(3)停表电子停表具有多种功能。

按功能转换键，待显示屏上方出现符号，且第1和第6、7短横线闪烁时，即进入停表功能。

此时按开始/停止键可开始或停止记时，多次按开始/停止键可以累计记时。

一次测量完成后，按暂停/回零键使数字回零，准备进行下一次测量。

秒表计时使用说明：按A键直至秒表显示，若秒表不为零。

用落球法测液体的粘滞系数一、仪器设备：2L 量筒、秒表、蓖麻油、钢珠二、实验目的：1. 观察液体的内摩擦现象。

2. 学会用落球法测量液体的粘滞系数。

三、实验原理：小球在液体中运动时，将受到与运动方向相反的摩擦力的作用,,这种阻力称为粘滞力，它是由于沾附在小球表面的液层与邻近液层的摩擦而产生的。

它不是小球与液体之间的摩擦阻力。

在理想情况下，根据斯托克斯定律，小球受到的粘滞力为：rv f πη6= (注:式中各字母的含义见后面的常数)在装有液体的圆筒形玻璃管中心轴线处让小球自由下落。

小球落入液体后，受到三个力的作用。

即重力、浮力、粘滞力。

在小球刚落入液体时，垂直向下的重力大于垂直向上的浮力与粘滞力之和。

于是小球作加速运动。

随着小球运动速度的增加，粘滞力也增加，当速度增加到某一值v 0时，小球所受到的合力为零。

此后小球就以该速度匀速下落。

当三力平衡时，即rv gV mg πηρ60+=小球作匀速直线运动，得：vrg v m πρη6)(0-= 实验时，待测液体必须盛于容器中，小球沿筒的中心轴线下降。

不是理想的条件，上式需要修正为：)23.31(4.2113()0H d D d rd gV m ++-=πρη四、实验内容：1. 使钢球表面完全被所测量液体浸润后，用镊子夹起一颗钢球沿筒中心轴线放入圆筒，观察钢球在液体中的速度变化及内摩擦现象。

2. 用米尺测量量筒内液体的高度H 和小球下落的距离AB:(1600---600)=s ，并记录。

3. 用镊子夹起被液体完全浸润的钢珠，然后沿量筒中心轴线放入量筒，用秒表测出小球匀速下落通过路程AB 所需要时间T 则:t s v =4. 重复测量三次，然后用磁铁将钢球取出放回盘中。

5. 根据每个小球的数据由公式计算η然后求η的平均值及误差。

误差公式:五、常数重力加速度：=g 9.78 1-⋅Kg N钢球的密度：=ρ78773-⋅m Kg液体的密度：==0ρ11603-⋅m Kg小球的直径：=d 3.00±0.02m圆筒的直径：D = 79.62±0.02m液柱的高度：H=m 下落的距离：S=m。

实验一 落球法测定液体的粘滞系数【实验目的】1.通过实验观察液体的内摩擦现象。

2.学会用落球法测定流体的粘滞系数。

3. 掌握基本物理量——时间、长度、质量、温度的测量方法。

【实验仪器】玻璃圆筒、甘油、游标卡尺、千分尺、米尺、物理天平、秒表、温度计、十粒小钢球 【实验原理】当小球在甘油中匀速下降时，考虑到玻璃管壁对小球的影响，液体粘滞系数为：只需要测定： 、m 、d 、h 、D 、 0 等值，就可以算出液体的粘滞系数。

实验中所用液体为甘油，当温度T =0℃时，甘油的密度 ， 当T ≠0℃时，考虑到甘油的体积膨胀，必须将密度修正为：【数据记录与处理】1.圆筒直径：筒壁厚)21)(1(3)(210hdk D d k d gV m ++-=υπρη330/1026.1m kg ⨯=ρTβρρ+=10C︒⨯=-/1054βm105.23-⨯.m 1071.62105D D ;m 1071.67D ;m 1088.67D ;m 1054.67D ;m 1070.67D 333333231------⨯=⨯-=⨯=⨯=⨯=⨯=内径0.2分2.几个待测量：0.2分3.测定10个小钢球的直径 千分尺的零点读数：0.002.kg 1011.0m ;kg 101.1M 10;kg 10025.0m C;5.0T ;C 5.16T ;m 0005.0h ;m 630.0h ;m 0005.0S ;m 415.0S N N 333o o 21---⨯=⨯=⨯=∆=∆==∆==∆=每个小球的质量个小球的总质量油温液体的深度之间的距离与m102.985100.002)-987.2(d 3-3⨯=⨯=-mn n d d d u iA 321000135.0)1()()(-⨯=-∑-==σmu B 31000288.03-⨯==仪σ(此处容易出错!) 0.4分0.2分sn n t t t u iA 26.0)1()()(2=-∑-==σsu B 288.035.03===仪σsu u u B A t 388.0288.026.02222=+=+=)21)(1(3)(210hdk D d k d gV m ++-=υπρη23430/1026.15.16105!1026.11m kg T ⨯=⨯⨯+⨯=+=-βρρ3831039.1)2(34m dV -⨯==πsm t s v /0158.0102.2641530=⨯==-1分56210985.23.31063023.310985.24.2107.624.210985.21)1039.11026.11011.0(21026.110985.214.321)(23333383336222112=⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯+⨯+⨯+⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⨯⨯=+++++---------dk h k d k D k d V m d ρρπ考虑到其它误差较小,只计算d 和t 的误差0.5分s Pa hdk D d k d g V m ⋅=⨯⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯-⨯=++-=-------7988.1)10630210985.23.31)(107.6210985.24.21(0158.010985.214.338.9)1039.11026.11011.0()21)(1(3)(33333833210υπρη015.020.26388.01018.35621)21)(2(221222222222112=+⨯⨯=++++++-==-t d u t u dk h k d k D k d V m d uB ρρπηη0.5分【思考题】：一、玻璃圆筒上部标志线N 1是否可以选取液面位置；为什么？0.5分答:不能.小球运动一段距离后才能达到匀速运动,一般取大于10厘米为宜.整洁度0.5分%)5.1()03.080.1(=⋅±=±=B s Pa ημηη。

落球法测量粘滞系数- 1 -实验二落球法液体粘滞系数实验当液体内各部分之间有相对运动时，接触面之间存在内摩擦力，阻碍液体的相对运动，这种性质称为液体的粘滞性，液体的内摩擦力称为粘滞力。

粘滞力的大小与接触面面积以及接触面处的速度梯度成正比，比例系数η称为粘度（或粘滞系数）。

对液体粘滞性的研究在流体力学，化学化工，医疗，水利等领域都有广泛的应用，例如在用管道输送液体时要根据输送液体的流量，压力差，输送距离及液体粘度，设计输送管道的口径。

测量液体粘度可用落球法，毛细管法，转筒法等方法，其中落球法适用于测量粘度较高的液体。

粘度的大小取决于液体的性质与温度，温度升高，粘度将迅速减小。

例如对于蓖麻油，在室温附近温度改变1?C ，粘度值改变约10%。

因此，测定液体在不同温度的粘度有很大的实际意义，欲准确测量液体的粘度，必须精确控制液体温度。

一、实验目的1．用落球法测量不同温度下蓖麻油的粘度2．练习用停表记时，用螺旋测微器测直径二、实验仪器落球法变温粘滞系数实验仪，ZKY-PID 温控实验仪，停表，螺旋测微器，钢球若干三、实验原理1个在静止液体中下落的小球受到重力、浮力和粘滞阻力3个力的作用，如果小球的速度v 很小，且液体可以看成在各方向上都是无限广阔的，则从流体力学的基本方程可以导出表示粘滞阻力的斯托克斯公式：3F vd πη= （1）（1）式中d 为小球直径。

由于粘滞阻力与小球速度v 成正比，小球在下落很短一段距离后（参见附录的推导），所受3力达到平衡，小球将以v0匀速下落，此时有：()300136d g v d πρρπη-= （2）（2）式中ρ为小球密度，ρ0为液体密度。

由（2）式可解出粘度η的表达式：200()18gd v ρρη-= （3）本实验中，小球在直径为D 的玻璃管中下落，液体在各方向无限广阔的条件不满足，此时粘滞阻力的表达式可加修正系数(1+2.4d/D)，而（3）式可修正为：200()18(1 2.4/)gd v d D ρρη-=+ （4）当小球的密度较大，直径不是太小，而液体的粘度值又较小时，小球在液体中的平衡速度v0会达到较大的值，奥西思-果尔斯公式反映出了液体运动状态对斯托克斯公式的影响：203193(1Re Re )161080F v d πη=+-+ （5）其中，Re 称为雷诺数，是表征液体运动状态的无量纲参数。

第三章 基础性实验实验一 用落球法测量液体的黏滞系数【实验目的】1. 根据斯托克斯公式用落球法测定液体的黏滞系数。

2. 了解斯托克斯公式的修正方法。

【实验仪器】液体黏滞系数仪，米尺，游标卡尺，螺旋测微器，秒表，温度计，小钢球，比重计，镊子，蓖麻油，天平。

【实验原理】当半径为r 的光滑圆球以速度v 在液体中运动时，小球受到与运动方向相反的摩擦阻力的作用，这个阻力称为黏滞(阻)力。

黏滞力并不是小球和液体之间的摩擦力，而是由于黏附在小球表面的液层与相邻液层之间的内摩擦而产生的。

若小球的半径很小，液体是无限广延且黏性较大，如速度不大，在液体中不产生涡流的情况下，根据斯托克斯定律，小球在液体中受到的黏性力F 为：rv F πη6= (1-1)式子中r 为小球的半径，v 为小球的运动速度，η为液体的黏滞系数。

本实验采用落球法测液体的黏滞系数。

一质量为m 的小球落入液体后受到三个力的作用，即重力mg 、浮力gV 0ρ(0ρ为液体的密度，V 为小球的体积)和黏滞力F 。

在小球刚进入液体时，由于重力大于黏滞力和浮力之和，所以小球作加速运动。

随着小球运动速度的增加，黏滞力也增加，设当速度增加到0v 时，小球受到的合外力为零，此时有：gV rv mg 006ρπη+= (1-2)以后小球将以速度0v 匀速下降，此速度称为终极速度。

将小球的体积34()32d Vπ=代入式(1-2)可得： 200()18gd v ρρη-= (1-3) 式(1-3)是奥西斯—果尔斯公式的零级近似，适用于小球在无限广延的液体中运动的情况。

而在本实验中，小球是在半径为R 的装有液体的圆筒内运动的，这时测得的速度v 和理想条件下的速度0v 之间存在如下关系：)3.31)(4.21(0h r R r v v ++= (1-4) 式中，/2rd =，R 为盛液体圆筒的内半径，h 为液体的深度，将式(1-4)代入式(1-3)中，得出： )3.31)(4.21(18)(20hr R r gd ++-='ρρη (1-5) 实验时，先由式(1-3)求出近似值，再用式(1-5)求出经修正的值η'。

落球法测量液体粘滞系数概述当液体流动时，平行于流动方向的各层流体速度都不相同，即存在着相对滑动，于是在各层之间就有摩擦力产生，这一摩擦力称为粘滞力，它的方向平行于两层液体的接触面，其大小与速度梯度及接触面积成正比，比例系数η称为粘度，它是表征液体粘滞性强弱的重要参数。

液体的粘滞性的测量是非常重要的，例如，现代医学发现，许多心血管疾病都与血液粘度的变化有关，血液粘度的增大会使流入人体器官和组织的血流量减少，血液流速减缓，使人体处于供血和供氧不足的状态，这可能引起多种心脑血管疾病和其他许多身体不适症状。

因此，测量血粘度的大小是检查人体血液健康的重要标志之一。

又如，石油在封闭管道中长距离输送时，其输运特性与粘滞性密切相关，因而在设计管道前，必须测量被输石油的粘度。

各种实际液体具有不同程度的粘滞性。

测量液体粘度有多种方法，本实验所采用的落球法是一种绝对法测量液体的粘度。

如果一小球在粘滞液体中铅直下落，由于附着于球面的液层与周围其他液层之间存在着相对运动，因此小球受到粘滞阻力，它的大小与小球下落的速度有关。

当小球作匀速运动时，测出小球下落的速度，就可以计算出液体的粘度。

一、实验目的1、用落球法测液体的粘滞系数；2、研究液体粘滞系数对温度的依赖关系。

二、仪器装置1、YJ-RZT-II数字智能化热学综合实验平台；2、液体粘滞系数实验装置、3、光电转换实验模板；4、连接电缆；5、2mm小钢球；6、甘油(自备)；7、直尺；8、千分尺；9、数字温度传感器；10、小磁钢及重锤部件；11、激光器；12、接收器；13、量筒；14、导球管；15、物理天平；16、测温探头。

液体粘滞系数实验仪如图1所示。

三、实验原理1、当金属小球在粘性液体中下落时，它受到三个铅直方向的力：小球的重力mg（m激光器1接收器1接收器2激光器2量 筒钢 球图1 液体粘滞系数实验仪DHιL1L2图2为小球质量）；液体作用于小球的浮力gV ρ（V 是小球体积，ρ是液体密度）和粘滞阻力F （其方向与小球运动方向相反）、如果液体无限深广，在小球下落速度v 较小情况下，有rv F πη6= （1）上式称为斯托克斯公式，其中r 是小球的半径；η称为液体的粘度，其单位是s Pa ⋅。

福建农林大学物理实验要求及原始数据表格实验11落球法测量液体的粘滞系数专业___________________学号___________________姓名___________________一、预习要点1.什么是粘滞力？2.测量液体粘滞系数的方法有哪些，各有什么特点？二、实验内容使用变温粘度仪测定不同温度下蓖麻油的粘滞系数。

三、实验注意事项1.实验时，量筒内的油中应无气泡。

手和身体都不要接触到量筒，以保证实验过程油温恒定；2.测量钢球下落时间过程中，在观察小球通过标线时，应使视线保持水平；3.观察小球是否一直沿中心下落，若样品管倾斜，应调节其铅直；4.测量过程中，尽量避免对液体的扰动；5.用磁铁吸起钢珠时要小心操作，避免打破玻璃量筒，把蓖麻油滴在桌面上；6.为保证数据的一致性，选用唯一的小钢球进行实验，完成实验后，将小钢球保存于样品管中的蓖麻油里，防止氧化，以备下次实验使用。

四、原始数据记录表格组号________ 同组人姓名____________________ 成绩__________ 教师签字_______________方法Ⅰ：测量蓖麻油在不同温度下，小球下落20cm（从5cm至25cm）所用时间，重复测量5次；方法Ⅱ：从0刻线开始至25cm，小球每下落5cm计时一次，计时要眼明手快，保证视线与管壁刻线水平。

1福建农林大学 物理实验要求及原始数据表格2五、数据处理要求1. 计算出不同温度条件下蓖麻油粘滞系数的完整结果表达式；并将结果填入表格中；2. 40°C 时蓖麻油粘滞系数的标准值为0.231 Pa·s ，可将40°C 时粘滞系数的测量值与标准值比较计算相对误差（保留二位有效数字），并分析引起误差的原因。

六、数据处理注意事项计算步骤写在实验报告纸上；并需要将具体的数据代入公式，只有公式和结果不得分！ 1. ρ = 7.8×103kg/m 3ρ0 = 0.95×103kg/m 3D = 2.0×10-2m d =1×10-3m2. 方法Ⅰ计算公式：20()(Pa s)18(1 2.4)i i gd t l d D ρρη-=⋅+，注意20l cm =粘滞系数平均值12345(Pa s)5ηηηηηη++++=⋅，η∆=所以粘滞系数(Pa s)ηηη=±∆⋅；注意测量结果标准表达式的修约参看课本32页；3. 方法Ⅱ计算公式：5115i i t t ==∑，tσ=σ=总（s σ=仪） 粘滞系数平均值20()(Pa s)18(1 2.4/)gd t l d D ρρη-=⋅+，注意5l cm =，20()18(1 2.4/)gd l d D ηρρσ-∆=+总所以粘滞系数(Pa s)ηηη=±∆⋅；注意测量结果标准表达式的修约参看课本32页；4. 相对误差：0100%E ηηηη-=⨯。

1υπρηr g V m 6)(排-=2d r =tl =υ实验三落球法测定液体的粘滞系数【实验目的】（1）掌握用落球法测定液体粘滞系数的原理和方法。

（2）学会使用电子天平，并会称量固体、液体密度。

（3）用落球法实验仪测定液体实时温度下的粘滞系数。

【实验仪器】落球法粘滞系数测定仪，激光光电计时仪，电子天平，砝码，2mm 小钢球，蓖麻油，米尺，千分尺，电子秒表，电子温度计等。

【实验原理】当金属小球在粘滞性液体中铅直下落时，由于附着于球面的液层与周围其他液层之间存在着相对运动，因此小球受到粘滞阻力，它的大小与小球下落的速度有关。

如果液体无限深广，在小球下落速度υ较小的情况下斯托克斯给出：6f r πηυ=（1）式中：r 是小球的半径，υ是小球下落的速度；η为液体的粘度，单位是s Pa ⋅。

如图（一）所示，小球在液体中下落时受到三个竖直方向的力：小球的重力G =mg （m 为小球的质量）；液体作用于小球的浮力F =排gV ρ(V 是小球的体积，ρ是液体的密度)；粘滞阻力6f r πηυ=（其方向与小球运动方向相反）；D 为量筒直径，H 为量筒中液体高度。

小球开始下落时，由于速度尚小，所以阻力f 也不大；但随着下落速度的增大，阻力也随之增大。

最后三个力达到平衡，即r gV mg πηυρ6+=排，于是，小球做匀速直线运动。

由上式可得：令小球的直径为d ，并用，代入上式得ρπ'=36d m2)6.11)(4.21(18)(2HdD d l tgd ++-'=ρρηlt gd 18)(2ρρη-'=ltgd 18)(2ρρη-'=)6.11)(4.21(1Hd D d ++（2）式中，ρ'为小钢球的密度，l 为小球匀速下落的距离（即两激光束之间的距离），t 为小球下落l 距离所用的时间。

实验时，待测液体盛于量筒中，如图（一）所示，不能满足无限深广的条件。

实验证明，若小球沿筒的中心轴线下降，式（2）需要做如下修正方能符合实际情况：•式中，D 为量筒直径，H 为量筒中液体高度。

落球法测定粘滞系数一 实验目的1） 测量蓖麻油的粘滞系数（粘度）精度 ≦3.5%，测量温度（℃） 25.0、26.0、27.0、28.0、29.0、30.02） 粘度—温度图二 实验仪器变温粘度测量仪，ZKY-PID 温度控制仪（最大偏差0.1C ），秒表（2/100s ），钢球（直径1mm ，最大偏差0.018mm ）三 实验原理当流体内各部分之间有相对运动时，接触面之间存在内摩擦力，阻碍流体之间的相对运动，称粘滞性。

粘滞力是由于流体内分子热运动形成的分子动量的宏观迁移产生的。

如图，实验证明s dydu f ∆=η 其中μ 粘滞系数，Pas1Pas 表示速度梯度1m/s/m ，面积1m^2，粘滞力1N 。

空气 0C 18.1*10^-6蓖麻油20C 0.986流体的粘滞系数决定于物质种类和状态。

液体的粘度主要由物质种类和温度决定。

蓖麻油的粘度对温度很敏感。

在室温下每增加1C ，粘度减少10%。

四 实验方法落球法小球在液体中垂直下落，受三个力的作用果尔斯）奥西恩粘滞力浮力重力-...)(Re 108019Re 1631(3 F 61 61 20303+-+=====Vd g d g V f g d mg G πηρπρρπ 其中 μ 粘滞系数，ρ0 液体密度，ρ小球的密度，V 下落速度（垂直），d 小球直径，Re 雷诺数粘滞力的大小与流体相对运动状态有关，即层流或湍（tuan ）流（紊流），雷诺数Re 可表征这种状态。

Re=0，层流；本实验Re=3.9*10^-3。

收尾速度（现象）粘滞力是小球速度的增函数，小球从静止开始下落，总有一刻小球的受力达到平衡，这时小球将匀速下降。

这个速度叫收尾速度V0。

注 测量匀速运动比较方便列出方程F+f=G本实验中，液体不是无穷大，是一直径D 的圆柱体，粘滞力需校正，修正因子为（1+2.4d/D ）， 上方程变为)/4.21(18)(3)/4.21()(61020003D d V gd d V D d g d +-=+=-ρρηπηρρπ需测量或引用量共计：小球密度 ρ=7.8*10^3蓖麻油密度 ρ=0.95*10^3重力加速度 g=9.80d 小球直径V0 收尾速度五 测量（实验）评价我们想通过评估，达到在完成所需要的测量精度及全部要求下，尽量做到a ）方法简单；b ）设备简单廉价；c ）工作量小；d ）对环境要求低。

第三章 基础性实验实验一 落球法测定液体的粘滞系数【实验目的】一、观察液体的内摩擦现象，学会用落球法测定流体的粘滞系数。

二、掌握基本物理量——时间、长度、质量的测量方法。

【实验原理】一个小球在液体中运动时，将受到三个力的作用，即重力、浮力和与运动方向相反的摩擦阻力作用，这种阻力即为粘滞力。

它由粘附在小球表面的液体层与邻近液层摩擦而产生，如果液体是无限广延的，液体的粘滞性较大，小球的半径很小，而且在运动过程中不产生旋涡，则根据斯托克斯定理，小球受到的粘滞力为：f =6πr ηv=3πd ηv （1．1）式中η是液体的粘滞系数，r 是小球的半径，d 是小球的直径，v 是小球的运动速度。

若让小球自由下落，如图所示，落入液体后开始时，小球的下落速度较小，粘滞阻力也较小，垂直向下的重力大于垂直 向上的浮力及粘滞力的和，小球向下作加速运动，随着小球速度的增加，粘滞力也增加，很快地当速度达到某一值v 0时，小球受的合力为零，此后小球就以该速度匀速下落。

即根据力的平衡有： gV mg v d ρηπ-=03 （1．２）式中ｍ是小球的质量，Ｖ是小球的体积，ρ是液体的密度。

ｇ是重力加速度。

故液体粘滞系数为：3dv gVm g πρη-= (1．3)上式是小球在无限广延的流体中运动的条件下导出的，如果考虑到实验中，小球是在内径为Ｄ，液体高度为Ｈ的玻璃圆筒中下落，则上式应修正为)23.31)(4.21(30HdD d dv gV m g ++-=πρη (1．４)只需要测定：ρ、m 、d 、Ｈ、D 、v 0 等值，就可以算出液体的粘滞系数。

实验中所用液体为甘油，当温度T =0℃时，甘油的密度330/1026.1m kg ⨯=ρ ，当 T ≠0℃时，考虑到甘油的体积膨胀，必须将密度修正为： Tβρρ+=10式中C ︒⨯=-/1054β，为甘油的体膨胀系数。

【实验仪器】盛有待测粘滞系数甘油的玻璃圆筒、游标卡尺，千分尺、米尺、秒表、温度计、电子天平、10个小钢球。

21 / 4实验一 落球法测液体的粘滞系数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，准确测量这个量在工程技术方面有着广泛的实用价值．如机械的润滑，石油在管道中的传输，油脂涂料，医疗和药物等方面，都需测定粘滞系数．测量液体粘滞系数方法有多种，落球法（又称Stokes 法）是最基本的一种，它可用于测量粘度较大的透明或半透明液体，如蓖麻油，变压器油，甘油等．【实验目的】1．学习和掌握一些基本物理量的测量；2．学会落球法测定液体的粘滞系数．【实验原理】一个在液体中运动的物体会受到一个与其速度反方向的摩擦力，这个力的大小与物体的几何形状、物体的速度以及液体的内摩擦力有关．液体的内摩擦力可用粘滞系数η 来表征．对于一个在无限扩展液体中以速度v 运动的半径为r 的球形物体，斯托克斯（G.G. Stokes ）推导出该球形物体受到的摩擦力即粘滞力为r v F ⋅⋅⋅=ηπ61 （1）当一个球形物体在液体中垂直下落时，它要受到三种力的作用，即向上的粘滞力F 1、向上的液体浮力F 2和向下的重力F 3．球体受到液体的浮力可表示为g r F ⋅⋅⋅=13234ρπ （2）上式中ρ 1为液体的密度，g 为重力加速度．球体受到的重力为g r F ⋅⋅⋅=23334ρπ （3）式中ρ 2为球体的密度．当球体运动某一时间后，上述三种力将达到平衡，即321F F F =+ （4）此时，球体将以匀速v 运动（v 也称为收尾速度）．因此，可以通过测量球体的下落速度v 来确定液体的粘滞系数：22 / 4()v r g 92122⋅-⋅⋅=ρρη （5）这里v 可以从球体下落过程中某一区间距离s 所用时间t 得到，这样粘滞系数为()s t r ⋅⋅-⋅⋅=g 92122ρρη （6）在实际测量中，液体并非无限扩展，且容器的边界效应对球体受到的粘滞力有影响，因此公式（1）需要考虑这些因数做必要修正．对于在无限长，半径为R 的圆柱形液体轴线上下落的球体，修正后的粘滞力为⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅+⋅⋅⋅⋅=R r r v F 4.2161ηπ （7）这样公式（6）变为()R r s t g r ⋅+⋅⋅⋅-⋅⋅=4.21192122ρρη （8）如果考虑到圆柱形液体的长度L 并非无限长，还有r /L 量级的进一步修正．【实验仪器】 F 3F 1+F 2图1 液体中小球受力分析图落球法粘滞系数测定仪（见图2）、小钢球、蓖麻油、米尺、液晶数显千分尺、游标卡尺、液体密度计、电子天平、电子秒表和温度计等．【实验内容】1．调整粘滞系数测定仪（1）调整底盘水平，在底盘横梁上放重锤部件，调节底盘旋纽，使重锤对准底盘的中心圆点；（2）将实验架上的上，下二个激光器接通电源，可看见其发出红光．调节上、下二个激光器，使其红色激光束平行，并对准锤线；（3）收回重锤部件，将盛有被测液体的量筒放置到实验架底盘中央，并在实验中保持位置不变；（4）在实验架上放上钢球导管；（5）将小球放入钢球导管，看其是否能挡阻光线，若不能，则适当调整激光器位置．2．测量下落小球的匀速运动速度（1）测量上、下二个激光束之间的距离；（2）放小球入钢球导管，当小球落下，阻挡上面的红色激光束时，光线受阻，此时用秒表开始计时，到小球下落到阻挡下面的红色激光束时，计时停止，读出下落时间，重复测量6次以上．3．测量小钢球的密度ρ 2（1）用电子天平测量小钢球的质量m，测量一次；（2）用千分尺测其直径d，测量十次，计算平均值；（3）计算小钢球的密度ρ 2．23 / 44．用液体密度计测量蓖麻油的密度ρ 1（单次测量）．用游标卡尺测量量筒的内径D（测量六次）．用温度计测量液体温度（液体粘滞系数随温度变化很快，因此需要标明测量是在什么温度下进行的．）．5．用公式（8）计算η 值，η 值保留三位有效数据，η 的单位为kg·m-1·s-1．6．用滚筒法测量蓖麻油的粘滞系数，根据落球法的测量结果和仪器说明书，选择合适的转子和转速。

实验6 落球法测液体的粘滞系数
落球法是用于测量液体粘滞系数的一种常见的实验方法。

它的主要原理是球体穿过液
体时，就可以测量液体的粘滞系数。

实验过程是将一个经验值圆柱形体，如铝筒，悬挂在小钢筋上方。

筒子高度为悬挂筋
的长度减去筒子长度，即可保证实验中运动的稳定性。

接着用密封容器，装入一定量的液体，调整液体温度，然后将测试体放入空气中，调整测试体的质量以保证正确的落球运动
轨道。

将测试体放入液体中，以给定的速度开始落球，记录落球的时间同时做好安全措施，以免测试过程中造成安全事故。

落球过程应尽量控制好高度和液体的温度。

测量完毕后对实验数据进行计算处理，得出液体的粘滞系数。

实验结果受多种因素的
影响，如液体粘度、液体厚度、皮带高度等，因此改变以上参数即可改变实验结果，也可
以得出正确的粘滞系数数据。

落球法测量液体的粘滞系数是简单可行的，节省金钱和精力，也有很高的准确性和稳
定性。

但同时还需要考虑一些安全因素，如防止落球设备造成危险，以及保证实验精度和
效率，避免因参数的不足而使实验结果变得不准确的情况发生。

实验4 落球法测量液体的粘滞系数液体粘滞系数又叫内摩擦系数或粘度，是描述流体内摩擦力性质的一个重要物理量，它表征流体反抗形变的能力，只有在流体内存在相对运动时才表现出来。

液体在管道中的传输、机械润滑油的选择、物体在液体中的运动等与都与液体的粘滞系数有关。

液体粘滞系数可用落球法，毛细管法，转筒法等测量方法，其中落球法适用于测量粘滞系数（以下简称η）较高的液体。

η的大小取决于液体的性质与温度，温度升高η值将迅速减小。

如蓖麻油在室温附近温度改变1℃时η值改变约10%。

因此，测定液体在不同温度η值才有意义，欲准确测量液体的粘滞系数，必须精确控制液体温度。

1 [实验目的]1.1 观察液体的内摩擦现象，学会用落球法测量不同温度下蓖麻油的粘滞系数。

1.2 了解PID 温度控制的原理。

1.3练习用停表计时，用螺旋测微器测直径。

2 [实验仪器]变温粘度仪，ZKY-PID 温控实验仪，停表，螺旋测微计，钢球若干。

3 [仪器介绍]3.1落球法变温粘度仪变温粘度仪的外型如图11-1所示。

待测液体装在细长的样品管中，能使液体温度较快的与加热温达到平衡，样品管壁上有刻度线，便于测量小球下落的距离。

样品管外的加热水套连接到温控仪，通过热循环水加热样品。

底座下有调节螺钉，用于调节样品管的铅直。

3.2开放式PID 温控实验仪温控实验仪包含水箱，水泵，加热器，控制及显示电路等部分。

温控试验仪内置微处理器，带有液晶显示屏，具有操作菜单化，能根据实验对象选择PID 参数以达到最佳控制，能显示温控过程的温度变化曲线和功率变化曲线及温度和功率的实际值，能存储温度及功率变化曲线，控制精度高等特点。

开机后，水泵开始运转，显示屏显示操作菜单，可选择工作方式输入序号及室温，设定温度及PID 参数使用▲▼键选择项目，▲▼键设定参数，按确认键进入下一屏，按返回键返回上一屏。

进入测量界面后，屏幕上方的数据栏从左至右依次显示序号，设定温度，初始温度，当前温度，当前功率，调节时间等参数。

液体粘滞系数的测量（落球法）在工业生产和科学研究中（如流体的传输、液压传动、机器润滑、船舶制造、化学原料及医学等方面）常常需要知道液体的粘滞系数。

测定液体粘滞系数的方法有多种，落球法（也称斯托克斯Stokes 法）是最基本的一种。

它是利用液体对固体的摩擦阻力来确定粘滞系数的，可用来测量粘滞系数较大的液体。

【实验目的】1. 观察液体的内摩擦现象，根据斯托克斯公式用落球法测量液体的粘滞系数；2. 掌握激光光电计时仪的使用方法；3. 了解雷诺数与斯托克斯公式的修正数； 4．掌握用落球法测粘滞系数的原理和方法； 5．测定当时温度下变压器油的粘滞系数。

【实验前准备】1.自学斯托克斯公式及雷诺数；2.粗略阅读讲义，了解大致的实验过程；3.认真阅读讲义，明确实验原理，写出自己设计的实验方案；4.再次阅读讲义，提出自己的疑问或可能的其他实验方案，如下落时间还有其他方法测量吗等；5.进一步熟悉并掌握某些测量器具的用法（如游标卡尺、螺旋测微计、秒表等）。

6.设计实验数据记录表格；7.复习不确定度计算方法并推导出本实验要用的不确定计算公式。

【自学资料】1． 如何定义粘滞力（内摩擦力）？粘滞系数取决于什么？ 当液体稳定流动时，流速不同的各流层之间所产生的层面切线方向的作用力即为粘滞力（或称内摩擦力）。

其大小与流层的面积成正比，与速度的梯度成正比，即： dxdvS F ⋅⋅=η (1) 式中比例系数η即为该液体的粘滞系数。

粘滞系数决定于液体的性质和温度。

2． 实验依据的主要定律是什么？它需要什么条件？ 主要依据斯托克斯定律，即半径为r 的圆球，以速度v 在粘滞系数为η的液体中运动时，圆球所受液体的粘滞阻力大小为：rv F πη6= (2) 它要求液体是无限广延的且无旋涡产生。

3． 实验的简要原理是什么？圆球在液体中下落时，受到重力、浮力和粘滞阻力的作用，由斯托克斯定律知粘滞阻力与圆球的下落速度成正比，当粘滞阻力与液体的浮力之和等于重力时，圆球所受合外力为零，圆球此后将以收尾速度匀速下落。

落球法测量液体粘滞系数
落球法是一种常用的测量液体粘滞系数的方法。

该方法基于斯托克斯定律，通过测量液滴或球体在流体中自由下落的速度来计算粘滞系数。

测量过程中，首先选择一个球体，并将其从一定高度释放在待测液体中。

当球体下落时间可以观察到时，利用装置和计时器记录液滴或球体下落的时间。

根据斯托克斯定律，下落速度与液体粘滞系数、球体半径和重力加速度之间存在关系：
V = (2/9) * (ρ- ρ_0) * g * R^2 / η
其中，V为下落速度，ρ为球体的密度，ρ_0为液体的密度，g为重力加速度，R 为球体半径，η为待测液体的粘滞系数。

通过多次测量不同球体或液滴的下落时间，可以获得不同下落速度的数据，然后利用上述关系式计算液体粘滞系数。

需要注意的是，在测量过程中需要保证实验条件的稳定性，包括温度、液体浓度等。

另外，为了提高测量的准确性，可以进行多次测量并求平均值。

总之，落球法是一种比较简单、常用的测量液体粘滞系数的方法，适用于大部分粘滞液体的测量。

实验6落球法测液体的粘滞系数【粘滞系数知识和斯托克斯公式】液体都具有粘滞性，液体的粘滞系数（又称内摩擦系数或粘度）是液体粘滞性大小的量度，也是粘滞流体的主要动力学参数。

研究和测定流体的粘滞系数，不仅在物性研究方面，而且在医学、化学、机械工业、水利工程、材料科学及国防建设中都有很重要的实际意义。

例如，现代医学发现，许多心血管疾病都与血液粘度的变化有关，血液粘度的增大会使流入人体器官和组织的血流量减少，血液流速减缓，使人体处于供血和供氧不足状态，可能引发多种心脑血管疾病和其他许多身体不适症状，因此，测量血液粘度的大小是检查人体血液健康的重要标志之一。

又如，石油在封闭管道中长距离输送时，其输运特性与粘滞性密切相关，因而在设计管道前，必须测量被输石油的粘度。

液体的粘度受温度的影响较大，通常随着温度的升高而迅速减小。

测定粘滞系数的方法有多种，如转筒法、毛细管法、落球法等。

转筒法，利用外力矩与内摩擦力矩平衡，建立稳定的速度梯度来测定粘度，常用于粘度为0.1～100的流体；毛细管法，通过一定时间内流过毛细管的液体体积来测定粘度，多用于粘度较小的液体如水、乙醇、四氯化碳等；落球法，通过小球在液体中的匀速下落，利用斯托克斯公式测定粘度，常用于粘度较大的透明液体如蓖麻油、变压器油、机油、甘油等。

本实验学习用落球法测定蓖麻油的粘滞系数，如果一小球在粘滞液体中铅直下落，由于附着于球面的液层与周围其他液层之间存在着相对运动，因此小球爱到粘滞阻力，它的大小与小球下落的速度有关。

当小球作匀速运动时，测出小球下落的速度，就可以计算出液体的粘度。

液体的粘滞系数又称内摩擦系数，在工程技术和生产技术以及医学等方面，测定液体的粘滞系数具有重大的意义，例如研究水、石油等流体在长距离输送时的能量损耗，造般工等，这些均与测定液体的粘滞系数有关，斯托克斯法是测定液体粘滞系数的基本方法。

在稳定流动的流体中，各层流体的速度不同就会产生切向力，快的一层给慢的一层以拉力，慢的一层给快的一层以阻力，这一对力称为流体的内摩擦力或粘滞力。