一、概述

液体粘滞系数又称液体粘度，是液体的重要性质之一，在工程、生产技术及方面有着重要的应用。采用落球法测量液体粘滞系数，物理现象明显，概念清晰，实验操作和训练内容较多，适合学一、二年实验教学；但以往此方法由于受手工按秒表、视差及小球下落偏离中心等因素影响，测量下落速度准确度不高。落球法液体粘滞系数测定仪具有以下优点：

1．用激光光电传感器结合单片机计时，克服人工秒表计时的视差和反应误差，测量小球下落速度的准确度高，引导学生掌握一种计时、测速、计数的方法。

2．设计底盘水平和立杆垂直调节装置及横梁中心小球下落引导管，小球从量筒中心下落。

3．两个严格平行的激光束，不仅可以测量下落时间，而且可以测量下落距离。用手工计时，激光照明测距，可视差，便于两种计时方法的比较和误差分析。

本仪器既保留原实验装置的操作和实验内容，又增加了激光光电计时器的原理及使用方法，扩了知识面，提高了测量度，体现了实验教学的现代化。 本仪器可用于高等院校、中专的基础物理实验和设计研究性实验、演示实验。

二、仪器简介

落球法液体粘滞系数测定仪实验装置如下图所示：

图1 落球法液体粘滞系数测定仪实验装置

三、技术指标

1.激光光电开关在立柱上沿柱移动的距离标尺量程： 40cm 分度值 1mm

2.激光光电计时器量程 99.99s 分辨率0.01s

3.盛待测液体量筒规格 1000mL 高度40cm

4.直径2mm小钢珠在液体中下落测量速度的误差 小于1%

5.液体粘滞系数测量误差 小于3%

6.计时器工作电源 AC 220±20V

四、实验项目

1．学用激光光电传感器测量时间和物体运动速度的实验方法

2．用斯托克斯公式采用落球法测量油的粘滞系数（粘度）

3．观测落球法测量液体粘滞系数的实验条件是否满足，必要时进行修正。

五、注意事项

1．主机的使用方法

1）打开电源开关，按仪器面板上的复位键，使显示器显示初始状态：“Fd ----”。

2）仪器从激光接收器的次触发（有指示灯和显示器显示）开始计时（显示器从0开始），到激光接收器次触发停止计时，此时间为小球下降L距离所花费的时间。

2．小钢珠直径可用读数显微镜读出，也可以用千分尺测量，但千分尺必须正确使用，防止将钢珠（直径1mm）压扁，而引起误差。

3．测量液体温度时，须用度较高的温度计，若使用水银温度计，则必须定时校准。

4．实验时，可用手控秒表与激光开关同时计数，以增加实验内容，增强动手能力及误差分析的训练。

5．激光束不能直射人的眼睛，以免损伤眼睛。

落球法测量液体粘滞系数

各种实际液体具有不同程度的粘滞性，当液体流动时，平行于流动方向的各层流体速度都不相同，即存在着相对滑动，于是在各层之间有摩擦力产生，这一摩擦力称为粘滞力，它的方向平行于接触面，其小与速度梯度及接触面积成正比，比例系数η称为粘度，它是表征液体粘滞性强弱的重要参数。

液体的粘滞性的测量是重要的，例如，现代发现，许多心血管疾病都与粘度的变化有关，粘度的增会使流入人体器官和组织的血流量减少，流速减缓，使人体处于供血和供氧不足的状态，这可能引起多种心脑血管疾病和其他许多身体不适症状。因此，测量血粘度的小是检查人体健康的重要标志之一。又如，石油在封闭管道中长距离输送时，其输运特性与粘滞性密切相关，因而在设计管道前，必须测量被输石油的粘度。

测量液体粘度有多种方法，本实验所采用的落球法是一种法测量液体的粘度。如果一小球在粘滞液体中铅直下落，由于附着于球面的液层与周围其他液层之间存在着相对运动，因此小球受到粘滞阻力，它的小与小球下落的速度有关。当小球作匀速运动时，测出小球下落的速度，可以计算出液体的粘度。

【实验目的】

学用激光光电传感器测量时间和物体运动速度的实验方法
用斯托克斯公式采用落球法测量油的粘滞系数（粘度）
观测落球法测量液体粘滞系数的实验条件是否满足，必要时进行修正。
【实验原理】

1．当金属小球在粘性液体中下落时，它受到三个铅直方向的力：小球的重力mg（m为小球质量）、液体作用于小球的浮力（是小球体积，是液体密度）和粘滞阻力（其方向与小球运动方向相反）。如果液体深广，在小球下落速度较小情况下，有

（1）

上式称为斯托克斯公式，其中是小球的半径；称为液体的粘度，其单位是。

小球开始下落时，由于速度尚小，所以阻力也不；但随着下落速度的增，阻力也随之增。后，三个力达到平衡，即



于是，小球作匀速直线运动，由上式可得：



令小球的直径为，并用，，代入上式得

（2）

其中为小球材料的密度，为小球匀速下落的距离，为小球下落距离所用的时间。

2．实验时，待测液体必须盛于容器中（如图2所示），故不能满足深广的条件，，若小球沿筒的中心轴线下降，式（2）须做如下改动方能符合实际情况：



（3）

其中为容器内径，为液柱高度。

3．实验时小球下落速度若较，例如气温及油温较高，钢珠从油中下落时，可能出现湍流情况,使公式（1）成立, 此时要作另一个修正（详见附录1）。

【实验装置】

实验装置主要有：落球法粘滞系数测定仪（参见图3）、小钢球、蓖麻油、米尺、千分尺、游标卡尺、液体密度计、电子分析天平、激光光电计时仪、温度计和比重瓶等。（若实验室给出钢球材料密度，可不必用电子分析天平）

【实验内容】

1．调整粘滞系数测定仪及实验准备

1）调整底盘水平，在仪器横梁中间部位放重锤部件，调节底盘旋纽，使重锤对准底盘的中心圆点。

2）将实验架上的上、下两个激光器接通电源，可看见其发出红光。调节上、下两个激光器，使其红色激光束平行地对准锤线。

3）收回重锤部件，将盛有被测液体的量筒放置到实验架底盘中央，并在实验中保持位置不变。

4）在实验架上放上钢球导管。小球用、酒精混合液清洗干净，并用滤纸吸干残液，备用。

5）将小球放入铜质球导管，看其是否能阻挡光线，若不能，则适当调整激光器位置。

2．用温度计测量油温，在部小球下落完后再测量一次油温，取平均值作为实际油温。

3．用电子分析天平测量10—20颗小钢球的质量，用比重瓶法测其体积，计算小钢球的密度。用液体密度计测量蓖麻油的密度。用游标卡尺测量筒的内径，用钢尺测量油柱深度。

4．用秒表测量下落小球的匀速运动速度

1）测量上、下二个激光束之间的距离。

2）用千分尺测量小球直径，将小球放入导管，当小球落下，阻挡上面的红色激光束时，光线受阻，此时用秒表开始计时，到小球下落到阻挡下面的红色激光束时，计时停止，读出下落时间，重复测量6次以上。后计算蓖麻油的粘度。

5．用激光光电门（关于光电门，请参阅产品说明书）与电子计时仪器代替电子秒表，测量液体的粘度（注意：激光束必须通过玻璃圆筒中心轴），将测量结果与公认值进行比较。

编号 名称 数量 备注
1 实验架 壹个
2 仪器主机 壹台
3 半导体激光发射器 贰只
4 激光接收器 贰只
5 七芯航空插头（带引线） 壹根
6 量筒 壹只
7 Φ1.5mm小钢珠 壹包
8 Φ2.0mm小钢珠 壹包
9 Φ2.5mm小钢珠 壹包
10 小磁钢 壹块
11 电源线 壹根
12 说明书 壹份
13 合格证 壹份
14 装箱清单 壹份