圓柱體於黏滯液體中的運動

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原始設計者:彰師大


一個圓柱體在液體中緩慢下降時,會遭受阻力,並且圓柱體落下速度比球體快,請探究此現象。


實驗材料:

  1. 壓克力圓筒(60mm)
  2. 甘油液體:1000ml
  3. 直徑4mm與9.7mm的鋁圓球各5個,鋁的密度為2.72g/m3
  4. 直徑6mm、8mm、10mm、12mm的鋁圓柱各一個
  5. 分段計時的碼錶1個
  6. 游標尺1支
  7. 直尺1支
  8. 夾子1支
  9. 燒杯1個
  10. 乳膠手套1雙




1.現象說明

  • 顯示小球和圓柱體分別於黏滯液體中的落下速度不同。



2.探究問題(此為引導,學習者必須要提出合理的假說)

  • 2.1 思考圓柱體與小球於液體中落下,其速度不同的原因為何?
  • 2.2 給予學生討論的時間,小組內思考該現象的成因,受何種力? 如何證明自己假說正確?
  • 2.3 物體於黏滯性液體中落下,其終端速度和液體密度是否相關? 如何實驗得出液體密度?
  • 2.4 物體於黏滯性液體中落下,其終端速度和黏滯係數是否相關? 如何實驗得出黏滯係數?
  • 2.5 探討還有哪些可能的變數?


3.實作項目

  • 3.1 設計出一項實驗,探究圓柱體在液體中掉落的距離與時間關係。
    • 3.1.1 實驗數據圖
    • 3.1.2 分析實驗結果


  • 3.2 設計出一項實驗,得出液體密度。
    • 3.2.1 實驗數據圖
    • 3.2.2 分析實驗結果


  • 3.3 設計出一項實驗,得出黏滯係數。
    • 3.3.1 實驗數據圖
    • 3.3.2 分析實驗結果



4.分析與結論

  • 4.1 能從前述所記錄數據與繪製的數據圖中,分析出相關趨勢,結論出可能之定性關係。
  • 4.2 能進一步從記錄之數據與繪製之數據圖中,粹取出相關重要物理量,進一步繪製關係圖,結論出定量關係式。
  • 4.3 能從所記錄數據與繪製的數據圖中,瞭解還有需要設計實驗與執行的項目。



5.教學目標與評量

  • 5.1 建構圓柱體的斯托克斯定律。
  • 5.2 從需要修正公式這點,讓學生了解當前的理論都是最佳猜測假說。
  • 5.3 利用現有器材資源,與學習到的知識,設計實驗求得出液體密度、黏滯係數。考驗學生能否融會貫通,以及取適當物理量來實驗分析。
  • 5.4 讓學生學習科學素養,即探究現象、提出假說、實驗證明假說,最後精緻化結果。


6.參考資料

  • 97年雲嘉區物理科學科能力競賽實驗試題


7.參考說明

1. 思考圓柱體與小球於液體中落下,其速度不同的原因為何?

  • 教師引導學生思考與探究此題目,先讓學生回想之前學過的球體再黏滯液體中掉落速率很小,球也很小,而且液體在各方向都是無限寬廣,那麼小球所受的黏滯力遵守斯托克斯定律為 F=6πηrV ,其中η稱為黏滯係數;V是小球落下的速度;r是小球的半徑。然而球體和圓柱體的對稱形狀不同,所受到的黏滯力也會不同,在此埋下黏滯力公式修正的必要性。


2. 給予學生討論的時間,小組內思考該現象的成因,是否應修正公式? 如何修正公式 ? 如何證明自己假說正確?

  • 引導學生討論出斯托克斯定律需要修正。讓學生自行猜想該如何修正,或教師給予幾種選擇,引導或直接告知學生修正方式,例如: F=6πηrmV 、F=6πηrVm、F=6πηrVm ,其中m是常數。
  • 讓學生設計實驗步驟與方法,依據可以整理出的相關參數,自行規劃相關實驗,尤其注重以實驗數據圖呈現出相關參數造成的實驗結果,並試著從圖中萃取出重要的物理量。

參考: 以F=6πηrmV為例,當圓柱體在甘油中落下的速度達到一個恆定值,即達到終端速度時,圓柱體受力達到平衡,即有

式中V=2πr3是圓柱體的體積,於是可得

由下降距離L(30cm)和測量之時間(t),可得 ,結合式(A2)便可得

式子兩邊同取ln,即得

取不同直徑的鋁圓球體,在固定距離內量測其落下時間t,並描繪ln⁡ t-ln ⁡r圖形,由上式得知圖形應為直線,由直線的斜率就可以求出指數m

圖中斜率為-1.019,由此可以得到

3. 物體於黏滯性液體中落下,其終端速度和液體密度是否相關? 如何實驗得出液體密度?

參考:從學生實驗結果當中引導出式(A1)。接著讓學生設計實驗步驟與方式,量測液體密度根據式(A1),因為m相且也相同,故VT-ρ為線性關係因此可得知VT=L/t ∝ρ→ 1/t ∝ρ

如下圖所示


直線在ρ軸上的截距即為ρ′,所以為ρ′=1.252x103 kg/m3,而實驗所用之甘油密度為1.25以上,所得出結果相當吻合。


4.物體於黏滯性液體中落下,其終端速度和黏滯係數是否相關? 如何實驗得出黏滯係數?

  • 讓學生設計實驗與步驟,利用所求得的甘油密度跟提供的圓柱體推得黏滯係數
  • 參考:
  • 根據式(A1)
  • Vt=gr2(ρ-ρ′)/3η
  • 整理後得ηVt=gr2(ρ-ρ′)/3 ,另Y= gr2(ρ-ρ′)/3、X=Vt作圖,斜率即是黏滯係數η



5.探討還有哪些可能的變數?

  • 從受力 Vρg=Vρ' g+6πηrm VT 來看,其中體積V和半徑r有關,會影響的變數就是半徑r、物體密度ρ、液體密度ρ^'以及黏滯係數η。