[发明专利]塔式管测量广延液体小球收尾速度的实验装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种物理实验装置与方法，具体地指塔式管测量广延液体小球收尾速度的实验装置与方法。

背景技术

液体粘滞系数对工农业、水利工程、医疗诊断等领域有着重要意义，实验室中对粘滞系数较大的液体常采用落球法测量其粘滞系数，落球法直观简便，是大学物理的基础实验。落球法以静止液体中缓缓下落的小球受到的重力、浮力、粘滞阻力的平衡关系，求得小球受到的粘滞阻力，测量小球下落的收尾速度，进而通过斯托克斯公式求得液体粘滞系数。

落球法所依托的斯托克斯公式是以小球直径很小，液体是无限边界为前提的。因此，在实验中我们通常需要对结果进行修正，以近似得到广延边界液体环境下的收尾速度。现有的实验方法是通过在不同直径的试管内重复进行落球实验，分析不同直径试管对应的收尾速度与d/D(小球直径与试管直径比值)的关系，进而确定广延液体条件下的粘滞系数修正因子。以上方法原理明确，便于学生理解，但实验过程繁琐，且受到实验初始条件的改变和多次实验操作引起的误差影响，现实中学生得到的实验数据离散性大，测量结果精度不高。

发明内容

本发明提供了一种塔式管测量广延液体小球收尾速度的实验装置与方法，该装置和方法可以快速准确地完成广延液体小球收尾速度的实验测量。

为实现上述目的，本发明提供的一种塔式管测量广延液体小球收尾速度的实验装置，包括：塔式管、左立柱、激光发生器、右立柱、激光接收器、底座、调平螺钉、激光计时器、小球。

所述实验小球为钢质小球，直径d在1～2mm之间。

所述塔式管为塔形、均匀壁厚、刚性、透明的中空管，垂直安装在底座中心点，塔式管由1个首段、b个中间段、b+1个过渡段、1个尾段共2b+3个管段组成，其中b≥1；所述首段内径为D₁(20～30mm)；所述各中间段的高度相同，均为L₁(L₁不小于20cm)；所述塔式管的首段、各中间段、尾段由上至下管径D₁、D₂……D_n依次等差增大，内径公差为a(10～20mm)；首段与尾段高度相同为L，且L大于L₁(L-L₁≥50mm)；所述过渡段为空心圆台体，连接于首段、各中间段、尾段等管段之间，其上下截面内径分别与所连接的管段内径相同，各过渡段高度L₂相同，且不小于内径公差a。

所述底座设有调平螺钉，用于调整底座水平。

所述左立柱、右立柱为刚性杆，均垂直固定在底座上，对称布置在塔式管两侧。

所述激光发生器和激光接收器数量相等，均为2b+4个，分别对称布置在左立柱与右立柱。且最上部的激光发生器与其下部紧邻的激光发生器距离为L₁；最下部激光发生器与其上部紧邻的激光发生器距离为L₁，与底座距离为L-L₁。其余激光发生器均设置在塔式管首段、各中间段、过渡段、尾段之间的连接线所在的水平面与左立柱交点处。所述激光接收器安装于右立柱上，与左立柱上的激光发生器沿塔式管竖向中心线对称布置。

所述激光发生器与激光接收器均连接于外部的激光计时器，通过激光计时器读取实验小球经过激光发生器和激光接收器所在水平线的时间。

实验时塔式管内部注满实验液体，所述实验液体密度小于小球平均密度。

本发明所述实验方法包括如下步骤：

(1)调整调平螺钉使底座水平，在实验液体液面处释放直径为d的钢质小球，通过激光计时器，记录小球通过各激光发生器的时间t；

(2)根据各激光发生器间距和小球通过时间，计算小球通过塔式管首段、各中间段、尾段速度v；

(3)将塔式管倒置安装在底座上，重复实验步骤1，重新得到小球通过各激光发生器的时间t`；

(4)根据各激光发生器间距和小球通过时间，得到倒置塔式管时，小球通过塔式管尾段、各中间段、首段速度v`；

(5)以速度为纵轴，小球直径和塔式管各管段内径比值d/D_n为横轴，建立坐标系，绘制速度v及v`与d/D<sub>n</sub>的数值点(d/D<sub>n</sub>，v)和(d/D<sub>n</sub>，v`)，将两次实验得到的各数值点分别拟合为直线，得到其在纵轴v上的截距v_t与v_t`，取二者平均值(v<sub>t</sub>+v<sub>t</sub>`)/2，即为广延液体环境下的小球收尾速度。