[发明专利]一种基于Matlab GUI模拟落球法测液体粘滞系数实验的仿真方法

说明书

本申请涉及一种基于Matlab GUI模拟落球法测液体粘滞系数实验的仿真方法，其于Matlab GUI开发的能够真实模拟落球法测液体粘滞系数实验过程，可以根据不同直径小球匀速下落起点探究模块能够确定小球在重力、粘滞阻力以及浮力三个力的作用体系下进入匀速下落状态的起始时刻、起始位置以及起始速度(匀速运动区间的平均速度)，且模拟过程精确，学生可以直观地看到小球下落的动态演示全过程，同时对液体的温度、液体所乘放容器的直径可以进行调节探索实验结果变化规律，加深了学生对实验内容的理解，避免了学生自主观察带来的误差，让学生开拓眼界、扩展知识。

技术领域

本发明属于虚拟仿真试验技术领域，特别涉及一种基于Matlab GUI模拟落球法测液体粘滞系数实验的仿真方法。

背景技术

液体的粘滞性在生产和生活中有着广泛的应用，例如：机械的润滑、液体的输送、轮船和飞机的航行以及生物体液的循环、药物代谢等过程都与流体的粘滞性有着很大的关联性。因此，液体粘滞系数的测量非常重要，根据液体粘滞系数的大小对应有不同的测量方法。对于粘滞系数较大、透明或半透明的液体通常可采用落球法来测定，落球法测液体粘滞系数也是各高校相关物理实验课程中常规开设的基础性实验之一。

不同学校在开设落球法测量液体粘滞系数实验时选择的实验形式也有所不同，主要有：单管落球法、多管落球法或变温单管落球法。但是考虑实验经费、实验空间以及实验时间等因素，往往只选择其中一种方法开展实验，导致探究实验参数单一的局限性；例如：单管落球法和变温单管落球法，其管径单一、无法考虑温度的影响、无法解释无线广延条件修正等；多管落球法，无法考虑温度影响，实验管径固定分布，实验管数较少且不可调节。同时在实验过程中，由于肉眼观测的局限性，学生无法观察和确定小球的下落时间以及小球匀速运动的起始时间和起始位置。传统的落球法测液体粘滞系数时若涉及到无限广延条件的修改，均直接给出修正公式或采用多管落球法对修正公式进行验证，学生并不能通过多次实验数据自行拟合或总结公式。

由于上述传统落球法存在的局限性，导致在实验过程中往往会存在测量繁琐且难度大，成本增加、实验耗时长等问题。因此，开发一种利用软件模拟落球法测液体粘滞系数的仿真实验是非常必要的。

发明内容

针对上述传统落球法存在的局限性，导致实验过程中测量繁琐且难度大、成本增加、实验耗时长，可探究实验变量单一等问题；本发明提出了基于Matlab GUI模拟落球法测液体粘滞系数实验的仿真方法。

本申请所采用的技术方案是：

一种基于Matlab GUI模拟落球法测液体粘滞系数实验的仿真方法，其包括以下步骤：

(1)利用MATLAB平台创建落球法测液体粘滞系数实验的运行界面，构建图片数据库；

(2)设置多个实验运行界面的切换以及多个实验仪器选择的切换；

(3)实验器材模型建构；

(4)结合液体粘滞系数和密度随温度变化的公式，确定出实验小球下落速度和位移随时间的变化以及实验小球在测量区间匀速下落所用的时间；

其中，η是液体的粘滞系数Pa·S，d为实验小球的直径m，g为重力加速度m/s²，ρ₁为实验小球的密度Kg/m³，ρ₂为实验液体的密度Kg/m³，D为管径m，l为实验小球起点到终点之间的测量间距m；v是实验小球的下落时的速度m/s，s是实验小球下落距离m，t为实验小球匀速下落的测量时间s，T为所测液体温度K；m为实验小球的质量，g；v₀为实验小球的收尾速度，m/s；