探究小球半径对落球法测量液体黏度的影响

◆张欢迪

(浙江省嵊州市马寅初中学)

探究小球半径对落球法测量液体黏度的影响

◆张欢迪

(浙江省嵊州市马寅初中学)

测量黏度的方法有落球法、毛细管法等，落球法适合测量黏度系数较大的液体。同时，温度等外界因素也会影响液体黏度的大小。实验旨在了解用落球法测量液体黏度的原理，并学会在控制其他外界因素相同时，用落球法测量出洗洁精粘度，掌握实验操作和步骤，分析不同小球半径对洗洁精的黏度测量的影响，并掌握温度计、游标卡尺、刻度尺及电子秒表的使用，进行误差分析。

小球半径 落球法 液体粘度

黏滞力是黏性液体内部的一种流动阻力。主要来自分子之间相互的吸引力，黏度是用来衡量液体流动性能力强弱的参数，黏滞系数越低的液体，流动性越好；相反，黏滞系数越大的液体，流动性越差。本实验选择了落球法测量液体黏度。

一、实验装置及过程

1.实验装置

50厘米透明量筒1个，洗洁精1桶；游标卡尺1把，刻度尺1把，记号笔1只；温度计1只；电子秒表1只；不同半径小钢球若干。

2.实验过程

将50厘米长量筒置于水平桌面上，控制其竖直。用刻度尺测量，并在量筒上每隔5cm画下标记线，并以最上的标记线为零刻度线，从上往下标记刻度。往量筒中倒入洗洁精恰好至零刻度线，测出此时洗洁精温度，并控制温度保持不变。取三种不同半径的小球分别三个，分为A，B，C三组，分别测出各组小球的半径。取A组第一个小球，控制其恰好位于液面下落，同时用电子秒表记下每下落5cm所用的时间。重复此步骤分别测出其他小球下落的时间并记录。

二、实验数据及处理

1.实验结果

在T=31.5℃，湿度为48%到55%时，H=50.0cm，D=11.12cm，g=9.7920m/s2实验结果如下：

2.数据处理

经分析，小球下落之15cm时开始做匀速运动，取25cm处速度为黏度的运算速度，将A1小球在25cm处所测数据代入公式(5)中：

同理可得出：

3.误差分析

(2)秒表计时误差。由于看到小球落过细线的时候按下秒表的时间有延迟，导致结果有一定的误差。

(3)系统误差。包括管径的误差、油管不绝对垂直。油品略有杂质等，均会对结果产生影响。

三、实验分析

通过落球法测量洗洁精黏度，并比较分析在31.5℃下，使用同一洗洁精，半径不同但同种材料的实心小铁球下落速度的大小及变化过程，对最终实验结果的影响。由实验测量数据可得：洗洁精的粘滞系数随小球直径的增大而增大，而实验误差随着小球半径增大先增大后减小。得到的小球半径与洗洁精粘滞系数的关系如图：

之所以会出现这样的结果，是因为小球的形状不规则会对结果产生较大的影响，若小球的球度不够，则会吸附空气或引起密度变化，导致小球下落速度变慢，测得的粘滞系数变大；当小球直径变大时，小球的形状对实验结果的影响较小，而雷诺数越来越大，此时则会产生一定的涡流，对实验结果产生影响，导致测得的粘滞系数变大；本次实验测得的结果与标准值相比略偏大，主要是由于实验时所处的温度以及洗洁精配比成分的影响。

四、实验结论

1.测量得到洗洁精在T=31.5℃，湿度为48%到55%的情况下，黏度约为2551mpa·s。

2.使用不同半径的小球测洗洁精的黏度系数，得到的测量值不同，这是由于本实验无法在液面高度无限广延的理想条件下进行，小球在洗洁精中运动存在一定的涡流，在一定的半径范围内，随半径增大，黏度系数测量值增大。

3.通过本实验对落球法测液体黏度系数的实验探究，得出落球法适用于测量黏度较大的液体，且应选取适当较小的小球半径，不仅有利于时间的精确测量，并且相对于无限广深的理想条件相差较小，误差较小，有一定的现实意义。

[1]转筒法测量洗洁精黏度.

[2]盛忠志，简家文.用落球法测液体粘度计时起点的确定[J].大学物理，2001，(07)：26-27.

[3]张淑贞.落球法测液体的粘滞系数小球收尾速度的研究[J].大学物理实验，1998，(01)：26-27.

[4]陈碧芳.落球法测液体粘度的理论修正公式[J].大学物理，2002，(12)：25-27.