用计算机辅助测量液体的粘滞系数

吴 斌,王 颖,田冰涛,黄原点,陈东生

(上海电力学院,上海 200090)

用计算机辅助测量液体的粘滞系数

吴 斌,王 颖,田冰涛,黄原点,陈东生

(上海电力学院,上海 200090)

主要说明用自制光电门配合计算机辅助测量液体粘滞系数的原理和方法,当小球挡住光电门的光路时,会使光敏管产生一个电脉冲,可以利用计算机声卡配合audition软件捕捉这个脉冲,从而实现小球下落时间的测量,提高实验的精确度。

光电门;液体粘滞系数;计算机;Audition软件

液体粘滞系数又称液体粘度。流体流动时,其质点之间存在着相对运动,会产生内摩擦力反抗它们之间的相对运动,液体的这种性质称为粘滞性。质点之间的内摩擦力称为粘滞力。粘滞系数反映液体流动行为的特征。粘滞系数与液体的性质、温度和流速有关,因此,粘滞系数的测量在工程技术方面有着广泛的使用价值。如机械的润滑,石油在管道中的传输,油脂涂料,医疗和药物等方面,都需要测定粘滞系数。本次实验采用落球法测量液体的粘滞系数。

1 Audition软件的介绍

Audition可提供先进的音频混合、编辑、控制和效果处理功能。最多混合128个声道,可编辑单个音频文件,创建回路并可使用45种以上的数字信号处理效果。Audition是一个完善的多声道录音室,可提供灵活的工作流程并且使用简便。本实验利用Audition的数字信号处理功能和单个音频文件编辑功能。实验中,可以从Audition的界面中读出下落时间t。

2 光电门的制作与数据记录原理

本装置利用了激光二极管和光敏管。由于光敏管在感光时会产生微小电脉冲,所以将激光二极管和光敏管组合,用计算机USB端口提供激光二极管电源,光敏管直接连接计算机麦克风接口,就可做成一个光电门。当用物体挡光时,光敏管就会产生脉冲,用声卡配合Audition记录脉冲,当有多个光电门时,就能记录多个脉冲,Audition软件中两个脉冲之间的距离就是时间差Δt[1-2]。

图1 光电门原理图

3 实验原理

当金属小球在液体中下落时,它受到三个铅直方向的力:重力mg(m为小球质量)、液体作用于小球的浮力ρgV(V是小球体积,ρ是液体的密度)和粘滞阻力F(其方向与小球运动方向相反)。如果金属小球在无限深广的液体中下落,且当小球下落速度较v小时,存在关系式[3]:

上式称为斯托克斯公式,其中r是小球的半径;η(单位是Pa·s)称为液体的粘度。

在粘滞性液体中下落时,小球所受的阻力和它的下落速度有关,且速度越大,阻力越大当小球开始下落时,由于速度尚小,所以阻力不大;但随着下落速度的增大,阻力也随之增大,最后三个力达到平衡,这时有:

式中ρ′为小球材料的密度,l为小球匀速下落的距离,t为小球在下落距离为时所用的时间,即为Δt。

斯托克斯定律要求小球是在无限宽广的液体中下落,但实际容器的直径和深度总是有限的,故实际的速度v要乘上修正因子

其中D为管子的内直径,H是液体深度。于是,落球法求液体粘滞系数的实验计算公式为

4 实验步骤

(1)如图2所示,连接好光电门装置,并在量筒中倒入蓖麻油,调整量筒至水平。

图2 实验装置图

(2)调整好激光器和接收管的高度和它们之间的距离,用标准刻度尺测得两红外光敏管之间距离为l。

(3)打开计算机上的Audition软件,新建波形。

(4)选择直径为d的小球从量筒的中心轴线位置上放入,使之能刚好挡住激光发生器的光,使红外光敏管能产生脉冲信号,并利用声卡,测出l距离内的时间t,时间t即为波峰或波谷之间的距离,如图3所示以两波谷为例。

图3 时间波形图

(5)带入η公式,得出η。

5 实验数据

本实验中,待测液体石蓖麻油,温度为14.2℃,采用直径为3mm的小球,小球密度ρ=7.90×103kg/m3,油的密度ρ′=0.96×103kg/m3,g=9.80 kg/s2。

表1 实验数据

6 结 论

自制光电门配合计算机辅助软件捕捉脉冲电信号,从而实现对小球下落时间的测量,提高实验的精确度。

[1]阎心语.新型气垫导轨光电门的制作[J].发明与创新,2010(05):30-31.

[2]麻则运,彭何欢.基于Audition与声卡的刚体转动惯量的测定 [J].物理实验,2010,30(7):34-36.

[3]陈东生,崔璐,等.数码相机在液体黏度测量中的应用[J].物理实验,2005,25(10):37-39.

Assisting in Measuring Viscosity Coefficient by Computer

WU Bin,WANG Ying,TIAN Bing-tao,HUANG Yuan-dian,CHEN Dong-sheng

(Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090)

This article is tOdescribe the principles and methods of how tOuse the computer tOassist in measuring the liquid viscosity coefficient with a self-made photOgate.Blocking optical light path,the ball makes the photodiode generate an electrical pulse.The pulse,which can measure the ball falling time and increase accuracy of the experiment,can be captured by the audition with the sound card of computer.

optical gate;liquid viscosity coefficient;computer;audition software

O411.2

A

1007-2934(2011)04-0063-03

2011-03-02

上海市大学生科研创新基金资助(A84192)