测定牛顿流体的动力粘度论文

测定牛顿流体的动力粘度杨裕锋、曹渊博、陈帅重庆交通大学河海学院，重庆，400074摘要该实验根据做过的液体粘滞系数实验，巧妙运用牛顿粘性定律，进而测量牛顿流体的动力粘度。实验过程使用光电计时仪测量物体运动时间。关键字牛顿粘性定律;粘滞系数；误差中国分类号：文献标识码：DeterminationofdynamicviscosityofNewtonianfluidsYangYufeng，CaoYuanbo，ChenShuaiAbstractTheexperimentwasbasedonexperimentsdoneinthecoefficientofviscosity,cleveruseofNewton'slawofviscosity,thusmeasuringthedynamicviscosityofNewtonianfluid.Theexperimentwasmeasuredusingthephotoelectrictimingobjectmotiontime.KeywordsNewton'slawofviscosity;Viscosity;error1、引言目前，在高校普通物理实验中，必做的实验一般都包括有测液体的粘滞系数实验。测量的方法较多，本次实验根据牛顿粘性定律，设计创造性实验，对牛顿流体的动力粘度进行测量。实验装置简单，数据可采用最小二乘法进行处理，适合学生自己动手操作，进行测量，有利于培养和提高学生实验技能和分析、处理实验数据能力。动力粘度（粘滞系数）是表征液体粘滞性大小的物理量，在工业、农业、医疗卫生领域应用极为广泛。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。2、实验设计思想2.1、实验原理本实验根据牛顿在1687年做过的简单切流实验，如图①所示，当两块面积为A平板，互相平行时，板间充满某种粘性流体，板间间距为h，下板固定不动，上板在力F的作用下沿x方向以等速度U平移。由于流体的粘性，流体与平板间存在附着力，与上板接触的流体粘附于上板，并与上板同速移动，而与下板接触的流体粘附于下板亦固定不动。只有两板间距h和平移速度U都选择得恰当地小，那么，两板间的各流体薄层将在上板的带动下，一层带一层地作平行于平板的流动，两板之间的速度由上及下逐层递减，服从线性规律u=u（y）。实验表明，使上板平移的外力F的大小与平移速度U以及平板表面积A成正比，而与两板间距h成反比，即HUAF牛顿通过大量的试验，把结果总结为一个数学表达式dydU这就是著名的牛顿粘性定律，也称牛顿内摩擦定律。当两板间流体速度分布近似为线性分布时，我们可以认为AF，HUdydU从而得出AUFH。式中F是使上板平移的力，U是平板平移速度，A为平板底面积，为动力粘度。由上式可知，要测得动力粘度系数的关键是测得速度。但是由于实验条件是在两板间距h和平移速度U都选择得恰当地小的情况下进行，其中存在一定误差。故本实验采用多次测量的方法，在确定h的情况下选择不同表面积的面板进行测量。实验时，当面板通过第一个光电门时，开始计时，通过第二个光电门后，测得面板通过两光电门间的时间T，根据公式TSUi，S为两光电门间的距离，由于面板近似做匀速运动，可以算出面板的平移速度iU。由此，根据公式，可以算出值。2.2、实验设备实验主要采用的仪器有：面积不同的木板多块，激光光电计时仪，带定滑轮水槽，细绳，砝码。2.3、实验步骤如下：图11调节实验装置，用水泡水准器观察使其水平，以保证玻璃管中心轴线处于铅直状态。2将数字毫秒计与光电门连接号，将两光电门相距80cm左右跨在水槽边上。测试仪器是否正常工作。3在下底板放置面积为A的面板，并在水槽装入所测液体，使其处于恰当液面的高度，量出液面到下底板的高度h。4把面积同为A的上板放置在液面上，并将与板相连的细绳穿过定滑轮，注意保持面板的水平。5用镊子夹起砝码，放在细绳的勾上。实验前，使上面板静止。最终装好后如图②所示6打开光电计时仪，使面板运动，记录上面板通过两光电门的时间。7上面板运动至水槽边缘的时候，用手使其停止。8使用同样的方法，依次测出面积为BcD的面板通过两光电门的时间。9关闭仪器，记录室温。2.4、注意事项1、实验必须保证面板的干净，以免影响面板平移速度，造成不必要的误差。2、液体的粘滞系数随温度变化显著，测量小球下落时间的实验过程应尽可能短。3、实验过程水槽应保持静止，注意液体中应无气泡存在，否则影响面板平移。4、采用质量较轻的细绳连接面板与砝码，使用摩擦力较小的滑轮，能够尽量减小使面板运动的力F的摩擦，减小误差。3、数据测量与误差分析3.1、数据记录如下砝码的重量m图2两板间距h重庆地区重力加速度g=9.719m/s2面板拉力F=mg面板的表面积A(2m）时间t（s）速度(U)3.2、数据处理iiiUAFH6161ii另外数据亦可以采用最小二乘法的处理方法，这样能够更好地减小实验误差。3.结果与结论实验可能出现的结果：1)系统摩擦过大，影响测量结果。2)砝码质量选择不当，导致面板无法进行匀速直线运动。3)两面板间距过大，形成误差。4)如果能够在各方面保证实验的正确性，实验的相对误差将大大减小，较大幅度地提高实验的精确度4.实验总结本次实验最大的创新之处在根据牛顿粘性定律，采用定量分析的方法，结合测量物体运动加速度的实验，以较为简单的装置，对牛顿流体的动力粘度进行测量，更有利于减小实验中产生的误差。与试管法相比，本实验能够较好的控制物体收尾速度，并且利用牛顿粘性定律，减少繁琐的数据处理分析。由于在保证两面板间距以及保持物体匀速运动速度都足够小这个问题还未能解决，使得实验依然存在一定误差，还有待其他人的帮忙。本实验对常用的实验方法进行创新，使实验装置简单，操作方便，尽管测量结果尚存在一定误差，但为进一步提高实验精确度提供一条可行的思路。参考文献张兆顺,崔桂香.《流体力学》.北京：清华大学出版社，1999.2物理教学部.《大学物理实验》.重庆：重庆交通大学，2009.12