本发明专利技术公开了一种利用弹簧小球系统进行液体粘滞系数测量的方法，该方法将直径相近密度依次增大的小球用长度刚度相近的轻质弹簧连接起来，组成弹簧小球系统。将该系统浸入在粘性系数待测的实验液体中，在液面的中心处正反两次释放，并测量弹簧小球系统整体通过待测液体中两个测点的下落时间，利用分析弹簧小球系统的内部作用和外部荷载平衡关系，来获得液体的粘滞系数。相比于现有方法，本发明专利技术方便快捷，易于判断小球是否达到匀速下落阶段，易于控制系统下落形态，所需仪器设备简单，适于液体粘滞系数理论研究，也适合于物理实验教学。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种物理实验方法，具体地指一种利用弹簧小球系统进行液体粘滞系数测量的方法。
技术介绍
液体粘滞系数的测定实验是大学物理重要的验证性实验之一，测定方法主要有落球法、落针法、毛细管法和旋转法等，其中落球法和落针法因为原理易于说明，过程形象直观，便于学生理解液体粘滞系数的物理意义，而成为广泛采用的液体粘滞系数测量方法。落球法测定的优点是便于操作，缺点是测量结果的误差较大。根据文献《落球法测定液体粘滞系数误差的研究》(《实验室科学》2014年2月17卷1期)的研究显示学生完成实验报告的误差多在 7% ～10% ，且经误差传递分析发现，落球法测定液体粘滞系数的误差主要来源于小球的质量、小球的直径和小球的下落时间测量三个方面。为此，现有改进方法是取大量小球测得小球质量和直径的平均值，进行重复实验，十分繁琐费时费力。而为了提高小球下落时间的测量精度，人们提出了光电法测量小球下落时间，即采用两个光电门记录小球通过区间的时间，该方法测量精度可达毫秒级，但存在的最大问题是无法判断小球通过第一个光电门时是否已经进入了匀速运动阶段。落针法测量过程较为简便，适用范围广泛既可测牛顿液体，也可测非牛顿液体和不透明液体。但落针法仪器设备复杂，且由于发射前，发射器永磁铁与落针通过磁性相吸，而落针上端是圆球状，无法与发射器磁铁水平端面完全密合，造成落针在发射前就与竖直方向存在偏角，且落针的重力远小于磁力，无法靠重力进行修正。发射时，发射器向上强行与落针拉开距离使落针受重力而下落，这一瞬间，整个仪器受力，对落针下落方向产生一定干扰，无法有效保证落针的下落角度和姿态。本专利技术就是要提供一种实验方法，克服上述问题，实现准确、便捷的液体粘滞系数测量。
技术实现思路
本专利技术提供了一种液体粘滞系数测量方法，该方法实现了准确便捷高效测量液体粘滞系数。为达到上述目的，本专利技术提供的一种利用弹簧小球系统进行液体粘滞系数测量的方法，包括如下步骤：1、选取n个表面光滑、直径相近、质量依次增加的小球，以及n-1个长度相近、刚度相近的轻质弹簧，测量小球质量从小到大依次为m1、m2……mn，并将小球依次编号为1、2……n，小球直径测量结果依次为d1、d2……dn，将弹簧随机编号为1、2……n-1，并依次测量弹簧自由长度为L1、L2、Ln-1，按序号从小到大将小球和弹簧依次间隔连接起来，形成弹簧小球系统；2、将弹簧小球系统全部浸入粘度系数待测的实验液体表面中心处，释放弹簧小球系统，测量其整体通过实验液体表面以下两处测点的时间t1和t2，当t1不等于t2时，则增加测点到液面的距离后，重新进行实验，直到t1≈t2；3、将弹簧小球系统倒置，即质量最大的n号小球在最上端，重复实验步骤2，测量弹簧小球系统通过两个测点的时间t1`和t2`，当t1`不等于t2`时，则增加测点到液面的距离后，重新进行实验，直到t1`≈t2`；4、利用下式计算弹簧小球系统的收尾速度和实验液体的粘滞系数：式中，为重力加速度，为实验液体的密度。本专利技术所述小球表面光滑，质量依次增加，直径相近且远小于弹簧长度和实验液体所在的容器口径，且小球密度均大于实验液体，实验液体密度已知为。所述弹簧均匀轻质，长度刚度相近，实验过程中均处于弹性变形范围内，弹簧的质量、浮力、阻力对实验结果的影响可以忽略不计。所述弹簧小球系统下落过程缓慢，在全部经过测点前，不触及待测液体底部。本专利技术所述方法基于如下原理：弹簧小球系统正向下落过程中，由于各小球直径相近，且编号为n的小球质量大于n-1号小球的质量，使得各小球间的弹簧发生拉伸，在弹簧的内部作用下，各小球最终将达到收尾速度，进行匀速运动。此时弹簧小球系统的整体受力平衡关系为：重力=浮力+粘滞力，即： （1） （2）式中，为各弹簧变形量。在弹簧小球系统反向下落过程中，由于小球位置变化，上部小球收尾速度更大，导致各弹簧发生压缩，同理在弹簧的内部作用下，各小球最终将达到收尾速度，进行匀速运动，分析各小球受力状态可以发现，此时各弹簧的压缩量与正向下落时弹簧的伸长量相等。根据弹簧小球系统的整体受力平衡关系：重力=浮力+粘滞力，可得： （3） （4）式中，为各弹簧变形量。根据式1和式3可见，和相等，因此可得弹簧小球系统在待测液体中的收尾速度： （5）将式5代入式1和式2可得： （6）本专利技术将表面光滑、直径相近、质量依次增大的小球，用长度相近、刚度相近的轻质弹簧按照质量大小依次连接起来，形成弹簧小球系统，通过正反两次在实验液体中释放弹簧小球系统，测量其通过实验液体下部两个测点的时间，分析其内部的弹簧作用和外部的重力、浮力、粘滞力平衡关系，获得实验液体的粘滞系数。相比于现有方法，本专利技术有如下优点：1、相比于落球法，本专利技术提出的测量方法方便快捷，可在一组实验内完成多个小球得落球实验，减小了因为单一小球质量直径测量引起的误差，同时也避免了大量重复实验工作，提高了实验效率；2、相比于落球法无法准确判断小球运动状态的缺陷，本专利技术采用分析弹簧小球系统通过两个测点的时间是否相等可以准确判断其是否进入匀速运动状态；3、本专利技术采用正反两个方向测量弹簧小球系统通过测点的时间，不需要计算弹簧在运动中的变形，简单快捷，也便于学生理解关联物体的整体下落形态；4、相比于落针法仪器设备复杂且落针容易发生倾斜的问题，本专利技术仪器简单，采用弹簧将多个小球连接起来，使得各小球之间无法存在水平荷载作用，保证了弹簧小球系统下落过程的铅直运动。附图说明图1是本专利技术所述弹簧小球系统示意图；图2是本专利技术所述正向释放弹簧小球系统示意图；图3是本专利技术所述反向释放弹簧小球系统示意图；图4是本专利技术所述正向释放弹簧小球系统时弹簧变形图；图5是本专利技术所述反向释放弹簧小球系统时弹簧变形图；图中：1、量筒；2、钢架；3、激光器；4、接收器；5、计时器；6、小球；7、弹簧；8、实验液体。具体实施方式下面结合附图和一个具体实施例对本专利技术作进一步的说明。如图1所示，本实施例所述液体粘滞系数测量方法依靠的弹簧小球系统，由三个小球6和两个弹簧7交叉相连组成。三个小球6表面光滑、直径相近，从上之下直径分别为d1、d2、d3，质量分别为m1、m2、m3，且m1＜m2＜m3；弹簧7为轻质均匀弹簧，两个弹簧7长度接近，从上之下长度分别为L1、L2。如图2和图3所示，为本实施例采用的光电落球粘度仪，量筒1为有机玻璃量筒，内部装有实验液体8，钢架2左侧安装有上下两个激光器3，对应右侧安装有两个接收器4，接收器4连接有计时器5。本实施例的实验步骤如下：1、选取三个表面光滑、直径接近、质量依次增大的小球6，测量三个小球质量分别为m1、m2、m3，且m1＜m2＜m3，测量三个小球直径分别为d1、d2、d3；选取两个均匀轻质弹簧7，测量弹簧自由长度分别为L1、L2，如图1所示，将小球6和弹簧7依次间隔连接起来，形成弹簧小球系统。2、如图2所示，将组成的弹簧小球系统全部浸入粘度系数待测的实验液体8的表面中心处，释放弹簧小球系统，通过计时器5测量其整体通过上下激光器3和接收器4所在的两个水平线的时间，分别为t1和t2。当t1不等于t2时，向量筒1中注入实验液体8，增加液面本文档来自技高网...
【技术保护点】
本专利技术所述一种利用弹簧小球系统进行液体粘滞系数测量的方法包括如下步骤：（1）选取n个表面光滑、直径相近、质量依次增加的小球，以及n‑1个长度相近、刚度相近的轻质弹簧，测量小球质量从小到大依次为m1、m2……mn，并将小球依次编号为1、2……n，小球直径测量结果依次为d1、d2……dn，将弹簧随机编号为1、2……n‑1，并依次测量弹簧自由长度为L1、L2、Ln‑1，按序号从小到大将小球和弹簧依次间隔连接起来，形成弹簧小球系统；（2）将弹簧小球系统全部浸入粘度系数待测的实验液体表面中心处，释放弹簧小球系统，测量其整体通过实验液体表面以下两处测点的时间t1和t2，当t1不等于t2时，则增加测点到液面的距离后，重新进行实验，直到t1≈t2；（3）将弹簧小球系统倒置，即质量最大的n号小球在最上端，重复实验步骤2，测量弹簧小球系统通过两个测点的时间t1`和t2`，当t1`不等于t2`时，则增加测点到液面的距离后，重新进行实验，直到t1`≈t2`；（4）利用下式计算弹簧小球系统的收尾速度和实验液体的粘滞系数：式中，为重力加速度，为实验液体的密度。
【技术特征摘要】
1.本发明所述一种利用弹簧小球系统进行液体粘滞系数测量的方法包括如下步骤：（1）选取n个表面光滑、直径相近、质量依次增加的小球，以及n-1个长度相近、刚度相近的轻质弹簧，测量小球质量从小到大依次为m1、m2……mn，并将小球依次编号为1、2……n，小球直径测量结果依次为d1、d2……dn，将弹簧随机编号为1、2……n-1，并依次测量弹簧自由长度为L1、L2、Ln-1，按序号从小到大将小球和弹簧依次间隔连接起来，形成弹簧小球系统；（2）将弹簧小球系统全部浸入粘度系数待测的...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘相梅，
申请(专利权)人：齐齐哈尔大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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