用落球法测量液体的粘滞系数

用落球法测定液体的粘滞系数液体的粘滞系数又称为内摩擦系数或粘度。

是描述液体内摩擦力性质的一个重要物理量。

它表征液体反抗形变的能力，只有在液体内存在相对运动时才表现出来。

粘滞系数除了因材料而异之外还比较敏感的依赖温度，液体的粘滞系数随着温度升高而减少，气体则反之，大体上按正比例的规律增长。

研究和测定液体的粘滞系数，不仅在材料科学研究方面，而且在工程技术以及其他领域有很重要的作用。

◆【实验目的】1.学习用落球法测定液体的粘滞系数的原理和方法2.熟悉流动液体中的粘滞现象，掌握粘滞现象的一般规律3.测定蓖麻油的粘滞系数◆【仪器及用具】玻璃量筒、待测液体、游标卡尺、秒表、温度计、米尺、小钢球、读数显微镜◆【实验原理】当流体流动时，各层的流速不同，相邻两层中由于流体分子的热运动，流速慢的流层中的分子进入流速快的流层；同时，流速快的流层中的分子进入流速慢的流层，结果流速快的将变慢，流速慢的将变快。

在宏观上就相当于在两流层间产生了相互作用力，我们称这一对相互作用力为内摩擦力或者粘滞力。

流体中的这一现象称为粘滞现象。

一个半径为r的金属小球在无限广延的粘滞液体中自由下落时，它受到3个力的作用:（1）小球W=ρVg（V为小球体积；ρ为小球密度；g为重力加速度），方向向下；（2）液体作用于小球的浮力F=ρ0Vg（ρ0为液体的密度），方向向上；（3）由于附着于球面的液体与周围其他液层之间的摩擦力，即小球受到的粘滞阻力f，方向向上。

由于液体是无限广延的，而且小球的半径r很小，小球下落的速度v也很小，这由斯托克斯公式可知：f=6πrηv=3πdηv式中，d为小球直径；η为该液体在T℃时的粘滞系数，它只与液体性质和温度有关。

一般的，液体温度越高，η越小。

在CGS制中η的单位是泊（P），1P=1g/（cm•s）；在SI制中，η的单位是帕斯卡•秒（Pa•s），1Pa•s=1kg/m•s=10P。

小球在液体中下落时重力ρVg和浮力ρ0Vg为恒力，而粘滞阻力f与小球下落的速度v 成正比。

【精品】落球法测量液体的粘滞系数液体的粘滞系数是指单位面积上两层流体在相对运动时所受到的剪切应力的比值，也就是黏性的量度。

在工业、生产和科学研究等领域中，液体的粘滞系数是一个非常重要的参数。

在化学、药品、民用和环保领域中，测定液体的粘滞系数会直接影响到液体的使用和品质。

通过落球法测量液体粘滞系数的方法已经被广泛应用于实际生产和实验研究中。

接下来将详细介绍落球法测量液体粘滞系数的原理、步骤和注意事项。

1.实验原理落球法是通过测量液体对采用特定顺序掉落的球的阻力大小，来推导出液体的粘滞系数，也称为斯托克斯法。

当液体中的一个球在受力平衡下自由落下时，其滑动阻力与重力相等，此时运动的速度达到稳定状态即恒速状态。

斯托克斯公式如下：F=6πηrv其中，F是球所受的阻力，η是流体粘度，r是球半径，v是球的降速度。

所以，液体粘度可以根据公式推算而得。

2.实验步骤2.1 器材准备实验器材准备如下：称量器、物理天平、万能架、滑动卡尺、测定液体、掉球器、支架灵敏度等。

2.2 实验前准备确定采用哪一种球进行实验，并注意该球的重量、半径和密度等参数，并确保球表面必须光滑。

将掉落器的底部设定为垂直于测量板并与水平面相等，并确保测量板的温度稳定。

取一定量的液体，将其转移至规定的容器中，在容器中保留足够的空间让球自由下落。

①将测定液体倒入容器中，确保液面高度超过掉落球轨道的最低位置。

注意，要等待液体温度稳定。

②仔细地沿着轨道掉落球。

③随后根据滑动卡尺得到球的降落距离。

④重复上述实验，至少取3次实验结果，以得到更为准确的粘滞系数。

3.注意事项①实验中必须确保液体温度稳定，并在测量前等待液体温度稳定。

②球表面必须光滑，以确保实验的准确性。

③实验室环境应尽可能减少干扰因素。

④在实验中，控制液体的落球速度必须稳定。

4.实验数据处理通过上述实验步骤所获得的数据，可以根据斯托克斯公式计算液体粘着力值。

如果实验数值有误差，可以通过多次实验，并对数据进行平均数计算，以获得更准确的结果。

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'。

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。

物理实验报告年级专业： 姓名： 学号： 组别：一、实验名称：落球法测量液体的黏滞系数二、实验目的：掌握落球法测量液体的黏滞系数的原理，并用落球法测定蓖麻油的黏滞系数 三、实验器材：变温黏度测量仪，ZKY-PID 温控实验仪，秒表，螺旋测微仪，钢球若干。

四、实验原理：1.基本构思：金属小球在蓖麻油中下落，在竖直方向达到受力平衡时，开始匀速运动，通过受力平衡的分析，找到影响蓖麻油黏度的因素，并通过实验的方法测量出黏度大小。

2.实验原理当金属小球在黏滞液体中下落时，它受到三个铅直方向的力：小球的重力G 、小球受到的液体浮力F 和黏滞阻力f 。

如果液体的黏滞性较大，小球的质量均匀、体积较小、表面光滑，小球在液体中下落时不产生漩涡，而且下落速度v 较小，则小球所受的黏滞阻力为vd f πη3= （3-1-2）该式称为斯托克斯公式，其中η是液体的黏度，d 是小球的直径，v 是小球在流体中运动时相对于流体的速度。

当小球开始下落时，速度较小，所受的黏滞阻力也较小，此时小球做加速运动；但随着下落速度的增大，黏滞阻力也随之增大，当小球速度达到一定数值0v （收尾速度）时，三个力达到平衡，小球所受合力为零，小球做匀速运动，此时G=F+f （3-1-3）即d v gV mg 003πηρ+= （3-1-4）式中m 、V 分别表示小球的质量和体积，0ρ表示液体的密度，如果用ρ表示小球的密度，则小球的体积V 为3)2(34d V π=小球的质量m 为ρπρ36d V m ==代入并整理得：03018)(v gd ρρη-= （3-1-5）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 ），上式可修正为：)/4.21(18)(030D d v gd +-=ρρη （3-1-6）当小球密度较大，直径不是太小，而液体的黏度值又较小时，小球在液体中的平衡速度0v 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：)Re 108019Re 1631(320⋅⋅⋅+-+=d v f πη （3-1-7）其中Re 称为雷诺数，是表征液体运动状态的无量纲参数。

落球法测液体粘滞系数实验报告落球法测液体粘滞系数实验报告引言液体的粘滞性质是指其内部分子间的摩擦阻力，是液体流动过程中的重要参数。

粘滞系数是描述液体粘滞性质的物理量，它与液体的黏度密切相关。

本实验采用落球法测量液体的粘滞系数，通过实验数据的分析，探究不同液体的粘滞性质以及其与温度的关系。

实验步骤1. 实验器材准备：实验所需的器材包括落球仪、计时器、温度计、容器等。

2. 实验液体准备：选择不同液体进行实验，如水、甘油、酒精等，分别倒入容器中。

3. 实验环境准备：将实验室温度调整到稳定状态，并记录下实验开始时的温度。

4. 实验操作：将落球仪放置在容器中，将液体从仪器顶部注入，待液体稳定后，观察落球的速度，并用计时器记录下落球所需的时间。

5. 实验数据记录：根据实验操作的结果，记录下不同液体在不同温度下的落球时间。

实验结果与分析根据实验数据，我们可以计算出不同液体在不同温度下的粘滞系数。

通过对实验结果的分析，我们可以得出以下结论：1. 不同液体的粘滞系数不同：根据实验数据，我们可以发现不同液体的粘滞系数存在差异。

例如，水的粘滞系数较小，而甘油的粘滞系数较大。

这是因为液体的粘滞系数与其分子间的相互作用力有关，不同液体的分子结构和化学性质不同，因此其粘滞系数也会有所差异。

2. 温度对粘滞系数的影响：通过对不同温度下的实验数据进行比较，我们可以发现温度对液体的粘滞系数有一定的影响。

一般来说，随着温度的升高，液体的粘滞系数会减小。

这是因为温度的升高会增加液体分子的热运动能量，使得分子间的相互作用力减弱，从而降低了液体的粘滞性。

3. 实验误差的考虑：在实验过程中，由于各种因素的影响，可能会存在一定的误差。

例如，由于仪器的精度限制或操作不准确等原因，实验数据可能会有一定的偏差。

为了减小误差的影响，我们可以多次进行实验，并取平均值来提高数据的准确性。

结论通过落球法测量液体的粘滞系数，我们可以得出不同液体的粘滞性质以及其与温度的关系。

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。

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。

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。

用落球法测量液体的粘滞系数(1)
落球法测量液体的粘滞系数是一种基于测量液体粘度的方法。

该方法利用了该液体的阻力，或者说阻尼，来计算出该液体的粘度。

具体来说，落球法就是通过观察小球从一定高度自由落下，到达一定深度的时间来衡量液体的粘滞程度。

在落球法中，使用的小球通常是金属球、玻璃球等直径几毫米到数厘米的圆球，而液体则放置于一个圆柱形的容器中。

当球从容器的底端开始自由落下，液体便开始阻碍球的下落速度，因为液体对小球产生了一个阻力。

同时，球也因为阻力不断减速。

当小球到达液体中的一个特定深度时，它就不再加速并稳定下来了。

然后，可以使用时间和容器的尺寸来计算出液体的粘度。

粘度值就是液体阻碍小球落下所需要的力，这个力在落球法中称为剪切力。

剪切力可以用牛顿(N)来衡量，因此粘度通常在单位为牛顿每平方米(N·m^-2)的情况下表示，也可以使用其他单位，例如帕斯卡秒(Pa·s)或毫帕秒(mPa·s)。

粘滞系数的计算公式为：
η = 2(R^2g(ρ2-ρ1))/9v
其中，η表示液体的粘滞系数，R表示球的半径，g表示重力加速度，ρ2和ρ1分别表示液体和球体的密度，v则是小球下落至最终稳定状态所需的时间。

落球法测量液体的粘滞系数的过程需要非常精确的测量，因为小球下落的时间、液体容器直径和高度、以及小球和液体的密度都会影响粘滞系数的计算。

但这种方法的简单可行性和可重复性非常高，因此在实验室和工业领域中被广泛使用。