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简述用斯托克公式测液体粘滞系数的原理

2025-11-24 11:03:42

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2025-11-24 11:03:42

简述用斯托克公式测液体粘滞系数的原理】在流体力学中,液体的粘滞系数是一个重要的物理量,它反映了液体内部分子间相互作用力的大小。测量液体的粘滞系数对于理解流体的流动特性、工业应用以及科学研究都具有重要意义。其中,斯托克公式(Stokes' law)是测定液体粘滞系数的一种经典方法,尤其适用于小球在粘性液体中匀速下落的情况。

斯托克公式的基本思想源于对小球在液体中受到的阻力进行分析。当一个小球在静止的液体中自由下落时,会受到三个主要的力:重力、浮力和粘滞阻力。在液体中,若小球的运动速度较慢,且液体的流动性较强,则可以认为小球处于层流状态,此时粘滞阻力与小球的速度成正比,符合斯托克定律。

根据斯托克公式,小球在液体中匀速下落时所受的粘滞阻力可表示为:

$$ F = 6\pi \eta r v $$

其中,$ F $ 是粘滞阻力,$ \eta $ 是液体的粘滞系数,$ r $ 是小球的半径,$ v $ 是小球的匀速下落速度。

在实际测量过程中,通常通过观察小球在液体中匀速下落的时间来计算其速度。假设小球的质量为 $ m $,体积为 $ V $,液体的密度为 $ \rho_{\text{液}} $,小球的密度为 $ \rho_{\text{球}} $,则根据受力平衡条件,有:

$$ mg - \rho_{\text{液}} Vg - 6\pi \eta r v = 0 $$

整理后可得:

$$ \eta = \frac{2}{9} \cdot \frac{(\rho_{\text{球}} - \rho_{\text{液}})gr}{v} $$

由此可以看出,只要测出小球的半径 $ r $、密度 $ \rho_{\text{球}} $、液体的密度 $ \rho_{\text{液}} $ 以及小球匀速下落的速度 $ v $,就可以计算出液体的粘滞系数 $ \eta $。

需要注意的是,斯托克公式的应用有一定的前提条件。例如,小球必须足够小,以保证其在液体中的运动为层流;液体的流动性要适中,避免出现湍流现象;同时,实验环境应尽量保持稳定,避免外界干扰影响测量结果。

综上所述,斯托克公式提供了一种简单而有效的测量液体粘滞系数的方法,广泛应用于物理实验教学和工程实践中。通过合理控制实验条件并准确测量相关参数,可以得到较为可靠的粘滞系数数据,从而深入研究液体的流变性质。

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