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1、利用气垫导轨测量液体粘滞系数【摘要】本文根据斯托克斯原理和牛顿第二定律，通过气垫导轨装置测量小球的运动速度，进而获得钢质小球在匏麻油液体中运动时所受到的粘滞阻力，并通过计算给出了20°C时篦麻油液体的粘滞系数。实验表明,利用气垫导轨可以简单便捷地测量液体粘滞系数，并但所得结果可靠。【关键词】气垫导轨斯托克斯原理液体粘滞系数一、引言液体粘滞系数的测量对于计算物体在液体中所受到的粘滞阻力有重要意义。实验室通常釆用落球法来测量。根据斯托克斯原理，小球在液体中下降时所受到的阻力与小球运动速度成正比。若小球无初速下落，则运动初期会作加
2、速运动，然后达到极限速度，再以此速度匀速运动。在用落球法测量粘滞系数时通常认为小球从变速到匀速这个过程需要较长吋间，所以测量时要等待一段时间后再读数，而有研究表明这一过程所需时间很短，大约0.033s,也就是说实验过程中小球能够快速达到匀速运动状态，不需要很深的液体。如果小球作匀速直线运动，只需测出匀速运动时的速度，即可计算得到液体的粘滞系数，而气垫导轨可以方便地测量物体的运动速度，于是可以利用气垫导轨测量液体的粘滞系数。二、实验原理斯托克斯认为，尺寸较小，表面光滑的小球在各向均匀，且相对宽阔的液体中运动时，若其运动速度不是
3、很大，不至于在液体中引起涡流，则小球在液体中受到的阻力满足关系F1=3nnvd,式中n表示液体粘滞系数，V代表小球下落速度，d为小球直径。实验原理简图如图1。其中a为液体，放在实验台下方，实验台上为气垫导轨装置，A,B为光电门，C为带有U形挡板的滑块，e为半径很小的钢质小球。小球与滑块跨过气垫导轨边缘的定滑轮通过细线相连接。设小球质量为叫体积为V,液体密度为P。小球在液体中下落的过程中受到三个力的作用（因气垫导轨摩擦很小可忽略不计），并且均在同一作用线上，分别为粘滞阻力F1,重力F2,浮力F3,受力分析图如图2所示。三、实验
4、器材实验过程中所需器材有：气垫导轨、滑块、两台计数器及两对光电门、高度约为50cm,宽度约为7cm的玻璃量筒、千分尺、电子天平、钢质小球（质量为0.177g,直径为3・50mm）,萬麻油液体。四、实验方法及结果分析利用动态法将气垫导轨调平。用锻子夹住小球，使小球处于菴麻油液面下，并使绳子处于拉直状态，保证小球是无初速下落。在气垫导轨上安装A,B两组光电门，这两组光电门分别与一台计数器相连，令与小球连接好的滑块无初速释放，读取滑块通过两组光电门的速度，根据前面理论分析可知，小球先作加速运动，然后作匀速运动，若两组光电门所测速度
5、值近似相等，则可认为小球作匀速直线运动。在止式实验之前需进行多次预测量，使得两组光电门距离适当。实验数据如下：从数据可以看出，通过A,B两组光电门的速度基本相等，可以认为小球作匀速直线运动，为准确，取小球通过B组光电门的速度值来计算,五次测量取平均值为4.72cm/so20°C时菴麻油相对于水的密度P为0.98,重力加速度g为9.8m/s2,分别带入公式mg-Pvg=FO可求得F0,再根据公式(5)即可求得8的值，最后通过公式5=3nnd求得蔓麻油的粘滞系数为0.977Pa?s,相关资料给出20°C时菴麻油的粘滞系数为0.9
6、9Pa?s,本次实验与之符合较好。由于温度不同时，臣麻油的粘滞系数也会发生?化,本实验也可用来测量其它温度菴麻油的粘滞系数。对于黏度与菌麻油同量级的廿油等液体，也可用此方法测量其粘滞系数。五、结束语多数教学用实验室均会购买气垫导轨装置，來实施某些力学实验，如重力加速度测定，验证牛顿第二定律，动量守恒等。对于液体粘滞系数的测量则需另外一套装置，通过落体法进行测量。通过上面的分析，可以看出，利用气垫导轨装置也可以测量某些液体的粘滞系数，这样不仅扩大了气垫导轨实验装置的实验范围，还降低了实验成本。参考文献[1]吴秀珍•液体粘滞系数
7、测定(落球法)的误差分析[J]•物理实验，1980,1(1)：21-23.⑵贾玉润，王公治，凌佩玲•大学物理实验[M]•上海复旦大学出版社,1987.[3]郑勇林，杨晓莉，杨敏•落球半径对测量粘度的影响[J]•物理实验,2003,23(9)：42-44.[4]王丽娟，张平•探究落球法测液体黏度实验中小球达匀速运动所需的时间[J]•物理实验，2009,29(1)：37-39.
