测量液体粘滞系数实验的探讨

李 臻，李 勇，许健敏，高亚妮

（华南理工大学 理学院物理系，广东 广州 510640）

测量液体粘滞系数实验的探讨

李 臻，李 勇，许健敏，高亚妮

（华南理工大学 理学院物理系，广东 广州 510640）

文章采用落针法研究了蓖麻油粘滞系数与温度的关系。首先通过实验仪器测量并计算落针在不同温度蓖麻油中的粘滞系数，然后根据实验数据绘出粘滞系数与温度的关系曲线，最后对实验结果进行了误差分析，指出了该实验存在的不足之处，提出了改进的方法。

落针法；粘滞系数；曲线拟合

引言

当液体内各部分之间有相对运动时，接触面之间存在的内摩擦力为粘滞力。粘滞力大小与接触面面积以及接触面处的速度梯度成正比，比例系数称为粘滞系数。在物理实验中，流体粘滞系数测定方法有落针法、落球法、扭摆法、毛细管法等。其中落针法是测量过程较为简便的一种，既可测牛顿液体，也可测非牛顿液体和不透明液体。PH-Ⅲ型变温粘滞系数实验仪是一种采用落针法测量液体粘滞系数的实验仪器，但在测量蓖麻油粘滞系数时发现测量数据不够准确，存在较大偏差。文章对上述实验进行了分析，并提出了改进意见。

1 实验仪器及实验原理

PH-IV型变温粘滞系数实验仪由粘度计本体、落针、控温装置、霍尔传感器、单板机计时器、温度控制系统等几部分组成。本体由内外套装的两个圆筒容器组成，筒壁间热水循环流动对内筒待测液体进行水浴加热，通过控温装置达到预定温度。实验时，中空长圆柱体型落针在待测液体中竖直下落，用霍尔传感器和单片板计时器测量落针的收尾速度和时间间隔，由单板板计算出液体的粘滞系数。图1为实验仪器操作面板示意图。

图1 实验仪器操作面板示意图

落针在液体中沿容器中轴线缓慢竖直下落受到重力、浮力和粘滞阻力的作用。经过一段时间后，三力达到平衡，落针作匀速运动。对于牛顿液体，在恒温条件下粘滞系数η为：，针长的修正系数为，其中g为重力加速度，R1为容器内筒半径，R2为落针外半径，L为两磁铁同名磁极的间距，t为落针两磁铁经过传感器的时间。

因为已将计算η的程序固化在EPROM中，所以，利用单板机可将粘滞系数η计算并显示出来，从而实现了智能化。

2 实验内容及步骤

（1）接通电源，按下控温按钮，自动水泵对待测液体水浴加热，将温度控制器编码开关调到某一温度，此时红色指示灯（OUT灯）亮，用取针装置将液体中的针拉起来并悬挂在容器顶端。

（2）到达设定温度后，红色指示灯（OUT灯）灭，进行保温。由于热惯性，液体温度需过一段时间才能达到平衡。记下容器中酒精温度计的读数（此为液体的温度），这时霍尔传感器上的LED灯应亮。

（3）按“复位”键，显示“PH-2”，表示已经进入复位状态。

（4）按“2”键，显示“H”或“L”，表示毫秒计进入计时待命状态。

（5）将投针装置的磁铁拉起，让针沿圆筒中心轴线落下，稍等片刻，数显表显示时间（单位：ms）。按“A”键，第一次显示落针的有效密度，第二次显示蓖麻油的有效密度，第三次显示该设定温度下的液体粘度。

（6）记录设定温度下的液体粘度。

（7）继续加热液体，用上述相同的方法测出其它设定温度下的液体粘度。温度从20°C左右开始逐渐递增3°C，共做10次。

（8）作粘度与温度的关系曲线。

3 实验数据

实验中，鉴于实验室的温度条件，笔者针对25°C-50°C温度范围，测量了三组蓖麻油粘滞系数数据，如表1所示。

笔者着重对仪器显示的粘滞系数表1做分析。先计算数据的标准差，如图2所示。由图2可知个别数据偏差较大，先剔除错误数据，再对实验数据求平均值，如图3所示。对平均值分布做了指数曲线拟合，所得的曲线为：η=3.3405e-0.059T，经计算得R2=0.9834，即R=0.991665，非常接近于1，说明拟合曲线基本反映了实验数据的变化趋势。

表1 蓖麻油粘滞系数数据

图2 实验数据标准差图

图3 实验数据平均值图

在图3中，我们可以看出，在25°C-50°C之间，蓖麻油的粘滞系数随着温度的升高逐渐降低，即温度越高，落针的下落速度越快，蓖麻油对其运动的阻碍越小，且当温度超过40°C左右，液体的粘滞系数变化较不明显，呈平缓下降。

图4 蓖麻油粘滞系数的标准值图

查PH-Ⅲ型变温粘滞系数实验仪测量蓖麻油粘滞系数的标准值，如图4所示。与图3比较可知，在25°C-50°C之间，本次实验数据整体在温度方向有一定的误差移动，这主要来自温度测量的误差，因为每次落针运动的时间间隔基本不变，所以这个误差是相同的，并不影响曲线形状的变化，本实验依然反映了蓖麻油粘滞系数与温度的变化关系。

4 误差分析

实际上，在本次实验中，笔者测量蓖麻油的温度发现：试验仪温度指示器显示的温度和蓖麻油的实际温度存在一定偏差，显示温度比实际温度大了近2℃。误差产生的主要原因是由于测量温度不准确，沸水注入玻璃管外管后温度有所下降，温度测量与落针过程存在时间差，而蓖麻油本身由于传热不均匀，在管中存在很大的温差。落针的受力及落针的竖直偏角都是误差产生的原因，最终都影响了测量的结果。所以，本实验装置存在一定的局限性。

5 改进建议及结论

针对误差分析，可以做如下改进。首先，在玻璃管中的传感部分增加一个温度传感器，测出落针实验时的液体温度，将会大大提高数据的准确性。其次，改进导向盖内部结构，如缩短上端颈部长度，加大颈部直径，以减小其对落针偏角修正的制约。还可以考虑优化单片板的程序，减少计算误差；以及增加预热时间，让蓖麻油充分受热。

［1］倪新蕾，等.大学物理实验［M］.广州：华南理工大学出版社，2005.

［2］吴望生，等.落针式粘滞系数实验仪的误差分析与改进［J］.实验室研究与探索，2009，（3）：46.

［3］王晶.蓖麻油粘滞系数与温度关系实验的研究［J］.科技信息，2010，（25）：21.

［4］沙振舜，等.用落针粘度计研究液体粘度与温度的关系［J］.南京大学学报（自然科学版），1999，（6）：30.

O52

A

1673-2014（2011）05-0033-03

2011—05—11

华南理工大学“学生研究计划（SRP）”：温度对液体粘滞系数影响的实验研究。

李 臻（1989— ），男，山西长治人，主要从事物理学研究。

（责任编辑 李学斌）