对葡萄糖水-水小孔周期性泄流的实验与分析

梁法库,梁 帅,张 玲,王元庆

(1.齐齐哈尔大学理学院物理系,黑龙江齐齐哈尔161006;2.东北林业大学土木工程学院,黑龙江哈尔滨150040;3.长春理工大学理学院,吉林长春130022)

对葡萄糖水-水小孔周期性泄流的实验与分析

梁法库1,梁 帅2,张 玲3,王元庆1

(1.齐齐哈尔大学理学院物理系,黑龙江齐齐哈尔161006;2.东北林业大学土木工程学院,黑龙江哈尔滨150040;3.长春理工大学理学院,吉林长春130022)

20℃附近时,对葡萄糖水-水小孔泄流周期进行观测,保持管内径为1.30 mm不变,对5个不同管长的泄流周期进行测量,得出泄流周期与孔长的关系为 T∝L1.16.

周期性泄流;浓度;孔长

1 引 言

近年,小孔周期性泄流实验受到人们的关注,文献[1-8]分别给出理论研究和实验观测,文献[5]中研究了小孔的渗透压和小孔处的压力差,得出了小孔泄流周期表达式.笔者也在文献[6-8]中作了大量的实验,发现周期性泄流维持时间的上限、内外槽中装有不同密度(浓度)不相溶性液体时,周期性泄流不能进行,不同浓度泄流周期也不同等结论.文献[1-5]作了理论模拟和实验两方面研究,给出一些有意义的探索,文献[2]给出实验测得周期24 s和理论计算周期数值41 s,量级上相当.以往文献多以盐水(或白糖冰糖水)-水作实验研究,本文对葡萄糖水-水小孔泄流周期进行实验研究,得到了一些有意义的结论.

2 实验装置和实验现象

图1是小孔周期性泄流的实验装置,它由内筒(槽)和与它同轴固定的外筒组成,且与外界大气相通,内筒(槽)底部开了1个小孔(流管),将内槽固定在外槽中相对位置保持不变,底部的小孔长度为L,内槽盛50%葡萄糖水,外槽中盛蒸馏水(或煮开过的水).实验开始时装置放在水平稳定的位置,使内筒浓溶液的液面比外筒溶液的液面高(或略低).实验开始时内筒液体通过小孔向下以流束液柱轮廓向外筒底部泄流并扩散,经过

图1 实验装置

一段时间停止向外筒泄流,紧接着外筒液体通过小孔以流束液柱轮廓向内筒上表面泄流并扩散,过一段时间停止向上泄流,接着内筒液体又开始向下泄流,这样液体就开始了持续上下周期性的泄流.实验中用移测显微镜测量注射器针头的内孔径,3次测量取平均得d=1.30 mm.外筒为高约20.7 cm的玻璃容器,容器壁上帖有容积的刻度和测量液面高度的刻度尺.内筒为50 mL的注射器.为使测量时更准确,对实验装置进行改进,改进后的实验装置.如图2所示,注射器的活塞被细长管贯穿,是带有塞子的长管,打开塞子时使管内与外界相连,即内筒液面与外界相通.本实验的内筒盛有葡萄糖水,用赤峰蒙欣药业生产的500 g袋装葡萄糖配制(在照相时,浓溶液被染色).外筒盛有室温下的蒸馏水或凉开水.两容器之间由可更换的细管(内筒底部小孔泄流管)相连接,根据实验要求不同使用相应细管(泄流管).

实验时要求液体温度稳定、周围环境和装置不能振动,以免影响周期时间观测的结果.此外,除了注意实验器材的因素,还有注意实验者在读取每次下流或上流的时间要准确.

图2 注射器活塞控制液体装置

泄流管如图3所示,把细管一部分用透明胶带缠住,可以防止细管与管口处有溶液流出.不但解决了确定细管的长度L的问题,而且可以用针管(安针头的柱管)换取不同的细管.

图3 不同型号的细管

3 实验数据记录及图像

把实验仪器水平稳定放置后,打开长管开始进行实验.浓溶液开始从细管(泄流管)下流出,几十s后液体流速减小最后停止下流,转为外筒溶液通过细管向内筒流入.实验中取细管中的液体第一次上流开始计时,上流时间为t2n(n为自然数),此后的下流时间记做 t2n+1.周期时间 T满足 T=t2n+t2n+1.在外筒体积为750 mL的水,内筒体积为40 m L,浓度为50%糖水,孔径相同长度不同的小孔泄流周期性时间的变化如表1所示.此次实验使用水为室温(19±0.5)℃的凉开水.限于篇幅表1中只列出1个孔长度的实验过程数据.由测试结果可以发现15组数据曲线均平稳,表1中L=1.6 cm,温度为19℃,浓度为50%,外筒内径 φ1=8.6 cm,V外=750 m L,没放内筒时外筒液面高度 H0=12.9cm,放内筒后外液深度 H1=13.7 cm,内筒内径 φ2=2.9 cm,V内=40 m L,开始振荡形成时内液深度(距孔底)h3=7.8 cm,液面差为1.1 cm,d=0.13 cm.测量数据如表2所示,时间是2010年 1月4日10∶54至1月7日20∶30.数据处理如表3所示,由表 3得出 t2m+1∝L1.07±0.16,T∝L1.16±0.16,T是13周3组平均值.

表1 小孔振荡时间的记录

表2 数据记录

表3 数据处理

用Origin得出周期与孔长的关系如图4所示,得出 T＊∝L1.16±0.16,与文献[1,5]理论 T∝L较接近.

图4 lg T-lg L拟合

4 结束语

综上所述,实验中观察到高浓度的液体与水形成的泄流周期稳定,经过连续对5个管长的15组数据测量,发现其他条件不变泄流周期时间随着孔长增加而增加,并且 T∝L1.16,与文献[1,5]理论 T∝L接近.

致谢:向为本文提供参考资料的《物理实验》编辑部编审老师和提供部分器材的齐齐哈尔大学物理实验中心韩苏阳、蔡成江等老师,以及参与观测的白志强等同学表示感谢!

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[责任编辑:郭 伟]

Glucose water-water hole periodic aerial drainage experiment

L IANG Fa-ku1,L IANG Shuai2,ZHANG Ling3,WANG Yuan-qing1
(1.Department of Physics,Qiqihar University,Qiqihar 161006,China;2.Civil Engineering College,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China 3.Changchun University of Science and Techno logy,Changchun 130022,China)

The glucose water-water drainage periods of 5 tubes w ith 1.30 mm inner diameter and different length were measured at 20℃.The relation between period and hole length was T∝L1.16.

periodic aerial drainage;concentration;hole length

G642.423

A

1005-4642(2011)01-0036-03

2010-05-04;修改日期:2010-08-16

黑龙江省教育厅2007年科学技术研究项目(No.11521309);齐齐哈尔大学教育科研项目(No.2009004)

梁法库(1963-),男,黑龙江拜泉人,齐齐哈尔大学物理系教授,学士,从事基础物理教学和演示实验研究.