對葡萄糖水-水小孔周期性泄流的實驗與分析

梁法庫,梁 帥,張 玲,王元慶

(1.齊齊哈爾大學(xué)理學(xué)院物理系,黑龍江齊齊哈爾161006;2.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150040;3.長春理工大學(xué)理學(xué)院,吉林長春130022)

對葡萄糖水-水小孔周期性泄流的實驗與分析

梁法庫1,梁 帥2,張 玲3,王元慶1

(1.齊齊哈爾大學(xué)理學(xué)院物理系,黑龍江齊齊哈爾161006;2.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150040;3.長春理工大學(xué)理學(xué)院,吉林長春130022)

20℃附近時,對葡萄糖水-水小孔泄流周期進行觀測,保持管內(nèi)徑為1.30 mm不變,對5個不同管長的泄流周期進行測量,得出泄流周期與孔長的關(guān)系為 T∝L1.16.

周期性泄流;濃度;孔長

1 引 言

近年,小孔周期性泄流實驗受到人們的關(guān)注,文獻[1-8]分別給出理論研究和實驗觀測,文獻[5]中研究了小孔的滲透壓和小孔處的壓力差,得出了小孔泄流周期表達式.筆者也在文獻[6-8]中作了大量的實驗,發(fā)現(xiàn)周期性泄流維持時間的上限、內(nèi)外槽中裝有不同密度(濃度)不相溶性液體時,周期性泄流不能進行,不同濃度泄流周期也不同等結(jié)論.文獻[1-5]作了理論模擬和實驗兩方面研究,給出一些有意義的探索,文獻[2]給出實驗測得周期24 s和理論計算周期數(shù)值41 s,量級上相當(dāng).以往文獻多以鹽水(或白糖冰糖水)-水作實驗研究,本文對葡萄糖水-水小孔泄流周期進行實驗研究,得到了一些有意義的結(jié)論.

2 實驗裝置和實驗現(xiàn)象

圖1是小孔周期性泄流的實驗裝置,它由內(nèi)筒(槽)和與它同軸固定的外筒組成,且與外界大氣相通,內(nèi)筒(槽)底部開了1個小孔(流管),將內(nèi)槽固定在外槽中相對位置保持不變,底部的小孔長度為L,內(nèi)槽盛50%葡萄糖水,外槽中盛蒸餾水(或煮開過的水).實驗開始時裝置放在水平穩(wěn)定的位置,使內(nèi)筒濃溶液的液面比外筒溶液的液面高(或略低).實驗開始時內(nèi)筒液體通過小孔向下以流束液柱輪廓向外筒底部泄流并擴散,經(jīng)過

圖1 實驗裝置

一段時間停止向外筒泄流,緊接著外筒液體通過小孔以流束液柱輪廓向內(nèi)筒上表面泄流并擴散,過一段時間停止向上泄流,接著內(nèi)筒液體又開始向下泄流,這樣液體就開始了持續(xù)上下周期性的泄流.實驗中用移測顯微鏡測量注射器針頭的內(nèi)孔徑,3次測量取平均得d=1.30 mm.外筒為高約20.7 cm的玻璃容器,容器壁上帖有容積的刻度和測量液面高度的刻度尺.內(nèi)筒為50 mL的注射器.為使測量時更準(zhǔn)確,對實驗裝置進行改進,改進后的實驗裝置.如圖2所示,注射器的活塞被細(xì)長管貫穿,是帶有塞子的長管,打開塞子時使管內(nèi)與外界相連,即內(nèi)筒液面與外界相通.本實驗的內(nèi)筒盛有葡萄糖水,用赤峰蒙欣藥業(yè)生產(chǎn)的500 g袋裝葡萄糖配制(在照相時,濃溶液被染色).外筒盛有室溫下的蒸餾水或涼開水.兩容器之間由可更換的細(xì)管(內(nèi)筒底部小孔泄流管)相連接,根據(jù)實驗要求不同使用相應(yīng)細(xì)管(泄流管).

實驗時要求液體溫度穩(wěn)定、周圍環(huán)境和裝置不能振動,以免影響周期時間觀測的結(jié)果.此外,除了注意實驗器材的因素,還有注意實驗者在讀取每次下流或上流的時間要準(zhǔn)確.

圖2 注射器活塞控制液體裝置

泄流管如圖3所示,把細(xì)管一部分用透明膠帶纏住,可以防止細(xì)管與管口處有溶液流出.不但解決了確定細(xì)管的長度L的問題,而且可以用針管(安針頭的柱管)換取不同的細(xì)管.

圖3 不同型號的細(xì)管

3 實驗數(shù)據(jù)記錄及圖像

把實驗儀器水平穩(wěn)定放置后,打開長管開始進行實驗.濃溶液開始從細(xì)管(泄流管)下流出,幾十s后液體流速減小最后停止下流,轉(zhuǎn)為外筒溶液通過細(xì)管向內(nèi)筒流入.實驗中取細(xì)管中的液體第一次上流開始計時,上流時間為t2n(n為自然數(shù)),此后的下流時間記做 t2n+1.周期時間 T滿足 T=t2n+t2n+1.在外筒體積為750 mL的水,內(nèi)筒體積為40 m L,濃度為50%糖水,孔徑相同長度不同的小孔泄流周期性時間的變化如表1所示.此次實驗使用水為室溫(19±0.5)℃的涼開水.限于篇幅表1中只列出1個孔長度的實驗過程數(shù)據(jù).由測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)15組數(shù)據(jù)曲線均平穩(wěn),表1中L=1.6 cm,溫度為19℃,濃度為50%,外筒內(nèi)徑 φ1=8.6 cm,V外=750 m L,沒放內(nèi)筒時外筒液面高度 H0=12.9cm,放內(nèi)筒后外液深度 H1=13.7 cm,內(nèi)筒內(nèi)徑 φ2=2.9 cm,V內(nèi)=40 m L,開始振蕩形成時內(nèi)液深度(距孔底)h3=7.8 cm,液面差為1.1 cm,d=0.13 cm.測量數(shù)據(jù)如表2所示,時間是2010年 1月4日10∶54至1月7日20∶30.數(shù)據(jù)處理如表3所示,由表 3得出 t2m+1∝L1.07±0.16,T∝L1.16±0.16,T是13周3組平均值.

表1 小孔振蕩時間的記錄

表2 數(shù)據(jù)記錄

表3 數(shù)據(jù)處理

用Origin得出周期與孔長的關(guān)系如圖4所示,得出 T＊∝L1.16±0.16,與文獻[1,5]理論 T∝L較接近.

圖4 lg T-lg L擬合

4 結(jié)束語

綜上所述,實驗中觀察到高濃度的液體與水形成的泄流周期穩(wěn)定,經(jīng)過連續(xù)對5個管長的15組數(shù)據(jù)測量,發(fā)現(xiàn)其他條件不變泄流周期時間隨著孔長增加而增加,并且 T∝L1.16,與文獻[1,5]理論 T∝L接近.

致謝:向為本文提供參考資料的《物理實驗》編輯部編審老師和提供部分器材的齊齊哈爾大學(xué)物理實驗中心韓蘇陽、蔡成江等老師,以及參與觀測的白志強等同學(xué)表示感謝!

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[責(zé)任編輯:郭 偉]

Glucose water-water hole periodic aerial drainage experiment

L IANG Fa-ku1,L IANG Shuai2,ZHANG Ling3,WANG Yuan-qing1
(1.Department of Physics,Qiqihar University,Qiqihar 161006,China;2.Civil Engineering College,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China 3.Changchun University of Science and Techno logy,Changchun 130022,China)

The glucose water-water drainage periods of 5 tubes w ith 1.30 mm inner diameter and different length were measured at 20℃.The relation between period and hole length was T∝L1.16.

periodic aerial drainage;concentration;hole length

G642.423

A

1005-4642(2011)01-0036-03

2010-05-04;修改日期:2010-08-16

黑龍江省教育廳2007年科學(xué)技術(shù)研究項目(No.11521309);齊齊哈爾大學(xué)教育科研項目(No.2009004)

梁法庫(1963-),男,黑龍江拜泉人,齊齊哈爾大學(xué)物理系教授,學(xué)士,從事基礎(chǔ)物理教學(xué)和演示實驗研究.