一种利用浮滴法测量水的黏滞系数装置

技术领域

本发明属于教学仪器技术领域，具体涉及一种利用浮滴法测量水的黏滞系数装置。

背景技术

在物理学习和现实生活中，物体黏度的测量是一个很有意义的问题。落体法是实验教学中的经典方法，落球所受黏滞阻力F遵循流体力学的斯托克斯公式

F＝6πηrυ (1)

其中η，r，υ分别是流体动力学黏滞系数、落球半径、下落速度。随着速度越来越大，F也逐渐变大，最终落球重力G、浮力f

其中ρ、ρ

必须注意的是，公式(1)是在低雷诺数Re下得到的，即

由于水的黏滞系数很小，常温下约为0.001Pa·s，所以落球的速度、尺寸都要求很小。理论上，落球的临界直径(d＝2r)为

已知水的密度为ρ

发明内容

针对上述测量缺陷，本发明提出一种利用浮滴法测量水的黏滞系数装置，也可用于测量其它低黏度液体的黏滞系数。

为此，本发明采用如下的技术方案：包括底座、支架、背景布、摄像机、夹具和浮滴上升系统，所述浮滴上升系统包括玻璃管、水、浮滴、硅胶塞、蓖麻油和注射器。实验中，玻璃管中装入水，注射器从底部注射蓖麻油浮滴，浮滴在重力、浮力和水的黏滞力作用下，先加速，后匀速上浮，摄像机拍摄其匀速运动过程，视频导入Tracker软件，得到浮滴的直径和运动速度，进而计算水的黏滞系数。

进一步优选地，上述浮滴的密度应小于水的密度，与水的颜色有对比度，且与水不相溶。

进一步优选地，上述浮滴的尺寸大小由注射器针头控制，尽可能选择细针头，以得到尺寸较小的浮滴。

进一步优选地，上述背景布颜色的选择应与浮滴和水形成鲜明对比，以便清晰识别浮滴在水中的运动路径。

进一步优选地，上述摄像机放置在玻璃管中水柱的上半部分，以保证拍摄浮滴的稳定匀速上升过程。

进一步优选地，上述摄像机拍摄的视频，导入Tracker软件，得到浮滴的直径和运动速度。

进一步优选地，上述浮滴的尺寸和速度要进行多次测量，计算其平均值，进而计算水的黏滞系数。

进一步优选地，上述水，可以替换为其他待测液体，采用浮滴法，可测量其他待测液体的黏滞系数。

本发明的有益效果是：浮滴采用蓖麻油，其不溶于水，密度略小于水，得到低雷诺数Re下，蓖麻油临界尺寸理论值(公式(5))较大，降低了实验难度；在实验上，采用注射器针头的粗细来控制浮滴尺寸(可达百微米量级)是完全可行的；注射针针头直接插入液体中，也避免了水的表面张力作用。另外蓖麻油为黄色，与水形成鲜明对比，有利于运动轨迹的跟踪和尺寸大小的测量。所以采用浮滴法可以测量具有低黏度液体的黏滞系数。物理原理清晰，精确度高，趣味性强，适合物理实验教学使用和课堂演示。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为浮滴上浮局部示意图；

图3为浮滴速度与时间关系图；

图中：1、底座，2、支架，3、背景布，4、摄像机，5、夹具，6、玻璃管，7、水，8、浮滴，9、硅胶塞，10、蓖麻油，11、注射器。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，搭建实验装置，玻璃管6中充满水7(密度为1.0g/cm

操作步骤如下：

1.玻璃管6中注入纯净水7，硅胶塞9塞紧，静置一段时间，以便排出水中的气泡。

2.将注射器11吸入蓖麻油10，大约5μL，针头从注射器底部插入硅胶塞，并伸到水中。

3.缓慢向水中推入蓖麻油浮滴8，待浮滴匀速后，拍摄其经过固定路程L＝10cm的运动过程。

4.视频导入Tracker软件，测量并记录浮滴的直径d＝0.3244mm。

5.分析油滴的位移-时间图像，计算浮滴的速度υ＝3.171mm/s，如图3所示。

6.重复实验3-6过程，多次测量浮滴的速度和相应的尺寸。

7.将d，υ带入公式(3)，得到水的粘滞系数：

表1实验数据

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。