液体黏滞系数测量方法的改进与研究.pdf

第 卷第 期大学物理实验.年 月 .收稿日期:基金项目:福建省中青年教师教育科研项目()通讯联系人文章编号:()液体黏滞系数测量方法的改进与研究王丽君郑亚玉张 瑛林二妹(闽南理工学院福建 石狮)摘要:通过对传统落球法液体黏滞系数测量仪器存在的问题进行整理和分析在 型液体黏滞系数测试仪的基础上采用高精度激光对管传感器与单片机计数控制器相连接将采集到的数据通过串口传输数据至电脑并利用计算机对实验数据进行科学精准处理用高效的方法计算出液体的黏滞系数 同时为了减少环境温度对液体黏滞系数测量值的影响把测试仪置于恒温箱内通过温度控制器调节恒温箱的温度利用可实时控制实验环境温度的方法最大限度地把控因环境温度变化对测量结果的不确定性关键词:液体黏滞系数温控器传感器单片机中图分类号:/文献标志码:./.大学物理实验投稿网址:/.液体的黏滞系数是表征流体黏滞性强弱的重要参数 液体的黏滞系数又称为内摩擦系数是描述液体内摩擦力大小性质的一个重要物理量它表征液体反抗变形的能力只在液体内存在相对运动时才表现出来 黏滞系数除了因材料而异之外还比较敏感地依赖温度即液体的黏滞系数随着温度的升高而减小 研究和测定液体的黏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都有很重要的作用 实验原理当液体流动时平行于流动方向的各层流体的速度都不相同互相接触的两层液体之间存在着相对滑动在各层之间就有摩擦力产生这一摩擦力称为液体的内摩擦力或黏滞力 它的方向平行于摩擦面其大小与速度梯度和接触面积 成正比即:()式中 称为黏滞系数它取决于液体的性质和温度 一般情况下黏滞系数随温度的升高而减小其物理意义是:速度梯度为单位量时作用于流体单位面积上的内摩擦力的大小 一个在液体中运动的物体会受到一个与速度方向相反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黏滞系数 来表征 对于一个在无限扩展液体中运动的球形物体斯托克斯推导出该球形物体受到的摩擦力即黏滞力为:()式中 是小球的直径 是小球的下落速度 是液体的黏滞系数它的数值与小球的大小种类无关而随温度增加近似地按指数减小小球在液体中下落时受到三个力的作用:重力()浮力()和黏滞阻力()和 分别是小球和液体的密度 是小球的体积 是重力加速度 小球在液体中所受到的力如图 所示图 小球受力分析在小球开始下落时小球的下落速度很小黏滞阻力也比较小小球受到的重力大于它受到的浮力和黏滞阻力之和小球加速向下运动 但随着小球下落的速度增大黏滞阻力也逐渐增大当速度达到某一数值后黏滞阻力与浮力之和等于重力于是小球开始做匀速直线运动即:可得:()()在本实验中小球在玻璃管中下落液体在各个方向无限宽广的条件不满足上式要进行修正如果小球在直径为 液柱高度为 的圆柱形筒内下落考虑管壁对小球的影响则()式可修正后为:().()优化实验装置在测量液体黏滞系数的实验过程中室温将随环境温度的变化而变化常规的黏度测定仪大多无恒温装置 由于液体的物质组成黏滞系数随温度的变化是很大的因此温度是影响落球法测液体黏度结果的主要因素 我们优化的实验装置增加温控装置整体设计框图如图 所示:图 实验装置设计框图.恒温箱恒温箱实验装置中采用 的温控陶瓷灯、温控器、亚克力板等组合成恒温箱使整个实验在恒温箱里进行大大地减小了周围环境温度对测量数据的影响 恒温箱的装置如图 所示图 恒温箱装置图.传感器我们采用了 型激光对射传感器工作电压 响应频率 提高了原有传感器的灵敏度高灵敏度传感器如图 所示图 高灵敏度传感器.单片机采用普中 单核 开发板 芯片应用一个 数码管、蜂鸣器模块、独立按键模块、定时器、串口中断模块等组成了单片机计数器实验装置如图 所示图 单片机计数器 第 期王丽君等:液体黏滞系数测量方法的改进与研究.电源实验中采用 电源转换器将 交流电转换成 直流电源为两组 激光对射传感器供电并使用 电源为单片机供电电源转换器如图 所示图 电源转换器.计算机处理数据将实验数据通过串口输至电脑利用计算机对实验数据进行科学精确处理这样使得我们实验结果更加精准 计算机处理数据装置如图 所示图 计算机处理数据装置 实验装置的调试.上电检查调试实验装置通电启动时运行指示灯和值班灯常亮测试传感器的响应状态.串口调试 串口波特率 连接电脑 检测单片机是否在线查看串口通信接口是否有数据包正常发送和接收重复以上步骤反复进行调试.定时器调试为了减少 运行时间对实验误差的影响通过 对 运行时间进行计算通过改变定时器的计数重置数改变 运行时间对数码管计时的影响.传感器安装调试将传感器安装至实验台重复夹取小球置入容器调整传感器位置提高实验成功率更加精确地测量小球的下落时间 实验数据的测量用优化的实验仪器测量液体的黏滞系数具体的实验步骤如下:()将装置放进恒温箱内把测试台和单片机用专用的屏蔽线连接好接通测试箱的电源并调整实验台底座上的三个水平螺丝使吊锤的尖端对准底盘的中心原点()传感器接通电源待传感器正常工作后将传感器固定到实验台上并进一步调整传感器发出的激光束能正好入射到激光接收器的小孔中()关闭恒温箱的门将导引小球下落的盖子取下并将蓖麻油注入圆柱形的有机玻璃筒中用吸管引导小球下落的盖子放回到测试架上()使用传感器按“复位”按钮把小球放在实验专用容器中用镊子将小球放入吸管小孔中小球将从有机玻璃筒的轴线下落观测小球在下落过程中是否能遮挡两个激光管发出的光()实验测量开始前用温度计测量油温在测量完毕后再次测量油温取平均值为实际油温()将传感器固定在支撑架的底端从下往上依次移动传感器的位置用米尺测量两个光电门间的距离 测量不同下落距离 和小球下落所用时间 每个位置测量 次记录数据实验中的已知物理量见表 所示表 已知实验物理量物理量参数蓖麻油的密度./玻璃管直径.小球的直径.小球的密度.重力加速度./液体的高度.控制油温()实验中的具体数据如表 所示大 学 物 理 实 验 年表 实验测量数据次数/平均时间/平均速度/(/).()实验数据处理().(.).(.).优化实验仪器的应用我们优化的实验仪器在我校开设的大物理实验课中得到充分应用 教师让学生在实验过程中分别用两种仪器测量数据对比实验结果 我们优化的实验装置利用单片机及电脑编程技术可以直接精准地测量出流体的黏滞系数这个实验仪器在流体黏滞性测量方面带来更多的便利 我们在保证数据测量准确的基础上实现了对小球下落位置的精确控制提高了实验的精确度实现了对液体黏滞系数的高精度和高效率测量参考文献:陈春彩.大学物理实验.北京:清华大学年 月:.周殿清.大学物理实验.武汉:武汉大学年 月:.王心华廖文琪高郁捷等.基于半导体变温测液体黏滞系数仪器的设计.大学物理实验():.赵晓云李世刚赵明等.落球法测量液体黏滞系数实验的研究.安阳工学院报():.任建新孙青青张鹏等.型质量流量计流体黏度测量方法研究.仪表技术与传感器():.徐渠车.用热敏电阻式温度传感器自动检测装置的设计.中国设备工程():.方磊张彩云张于微等.新型四配位硅基材料的结构与性质.厦门大学学报(自然科学版)():.李亚亚王国华柯莎等.落球法测量液体黏滞系数的细节探索 .山东工业技 术 ():.温建平张灵辉张海宁等.低黏度透明液体黏滞系数测量实验的研究.物理通报().左学勤王章根.落球法测量液体黏滞系数实验仪器的新研究.大学物理实验().():.:第 期王丽君等:液体黏滞系数测量方法的改进与研究