單端密封圓筒內(nèi)活塞振動測空氣比熱容比的方法
【專利摘要】單端密封圓筒內(nèi)活塞振動測空氣比熱容比的方法，一個透明的內(nèi)部半徑為r的圓筒分成兩段，其中一段為底端密封并布置一個壓強傳感器，壓強傳感器的信號線連接到數(shù)字示波器測量振動的周期T，圓筒的外表面沿圓筒的長度方向有一個毫米刻度尺和一個水平泡；圓筒內(nèi)部有一個質(zhì)量為m的兩處密封活塞有一個活塞連桿，活塞連桿為能夠被磁場吸引；將一個磁鐵伸入到圓筒的空心圓管端，接觸到活塞，磁場吸住活塞連桿的不銹鋼，然后向圓筒開口端拉動活塞連桿，當磁場力小于空氣壓強差產(chǎn)生的力量，則兩處密封活塞脫離磁鐵并發(fā)生振動，表測量空氣的大氣壓值P；空氣比熱容比由公式γ=4πmh/(r2T2P)計算。有益效果是：密封空氣具備良好的彈性；實驗原理更嚴謹；是一個嚴格的簡諧振動；不會出現(xiàn)轉(zhuǎn)動現(xiàn)象；起振方法簡單易行；結(jié)構(gòu)更簡單，成本更低廉。
【專利說明】 單端密封圓筒內(nèi)活塞振動測空氣比熱容比的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及物理常數(shù)的測量，特別是提供一種采用振動法測量空氣比熱容比的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]振動法測量空氣比熱容比是一種常用的比熱容比測量方法，在物理實驗室采用的測量方法，實驗原理詳見“振動法測氣體比熱容比實驗方法的改進，臺州學院學報，2010年12月第32卷第6期，第39-42頁”的“2實驗”，以及“振動法空氣比熱容比測定實驗原理分析，實驗室科學，2013年6月第16卷第3期，第35-37”的“1.1原實驗原理”。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)采用的原理，詳見圖1，氣體注入口連續(xù)穩(wěn)定地注入氣體，氣體的壓強增加推動與氣體容器連接的豎直玻璃管中的鋼球A向上移動，鋼球A與玻璃管B的管壁之間一般有0.01-0.02mm的縫隙，當鋼球A上升到小孔的上端，部分氣體從小孔流出，鋼球A所受氣體的壓強減小，小球受到的氣體的推力減小，小球的動能逐漸減弱，在到達高點后，受重力作用，鋼球A下落，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，在鋼球A下落到小孔下面，小球下端的氣體壓強大于小球上端的氣體壓強，受到的氣體的推力作用，動能逐漸減弱，當動能為零后，鋼球A在球體上下端所受到的氣體壓強差產(chǎn)生的推力作用，鋼球A再次向上運動，往復(fù)進行，實現(xiàn)振動。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，在前面的兩篇文獻也有提及:
(1)小孔不是振動的空間對稱中心，也不是振動的時間對稱中心，不具備簡諧振動的數(shù)學形式；鋼球A—般在小孔上方運動的路程短于小孔下方運動的路程，鋼球A—般在小孔上方運動的時間小于小孔下方運動的時間，鋼球A的運動實際上受到鋼球A與管壁的縫隙大小、充氣速度以及小孔的大小控制；
(2)小孔上方和下方受力的非對等性，不具備簡諧振動的力學條件:鋼球A在小孔上端和下端所受的推力是不同的，在小孔的下端所受的氣體的推力大、上端(氣體從小孔泄漏)所受的推力小，小球運動所處的氣流環(huán)境是突變的，兩篇文獻均對其原理持懷疑態(tài)度；如果，沒有小孔的存在，鋼球受到壓強差產(chǎn)生的推力作用，小球?qū)⒁恢鄙仙?、不會發(fā)生振動，雖然，在文獻“振動法測氣體比熱容比實驗方法的改進”，提出在小孔下方尋找到鋼球的平衡位置，然后產(chǎn)生一個振幅Icm左右的振動，由于缺少外力的作用，僅僅通過氣流的調(diào)節(jié)，很難實現(xiàn)，原因在于氣流小則鋼球下降，氣流大則鋼球上升，氣流合適則鋼球穩(wěn)定，那么鋼球穩(wěn)定后，必須加大氣流才能促使其上升，上升一定距離后，必須繼續(xù)回到合適的氣流，使壓強差產(chǎn)生的推力與重力相等，這個步驟難以實現(xiàn)；
(3)鋼球A在運動過程中會出現(xiàn)轉(zhuǎn)動和與管壁發(fā)生碰撞:文獻“振動法測氣體比熱容比實驗方法的改進”也發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(文獻中稱為自旋)和碰撞現(xiàn)象，鋼球A在振動過程中我們發(fā)現(xiàn)其反射光出現(xiàn)變化，然后，我們用紅色記號筆在鋼球A的表面畫一個十字，發(fā)現(xiàn)鋼球A的十字在振動過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)動，而且不同儀器、不同的時間其轉(zhuǎn)動方向也在發(fā)生變化，這個結(jié)果呈現(xiàn)給我們的是管壁或者/和鋼球A的表面不是均勻的，導致鋼球A不對稱受力出現(xiàn)轉(zhuǎn)動，我們也發(fā)現(xiàn)，其轉(zhuǎn)動的頻率在不同儀器和不同時間也表現(xiàn)出差異，換句話說，鋼球A不處于層流環(huán)境，而是有一定的湍流，其轉(zhuǎn)動動能將影響測量的精度，而且，由于轉(zhuǎn)動的不確定性，也無法定量予以修正。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明設(shè)計一種單端密封圓筒內(nèi)活塞振動測空氣比熱容比的方法。
[0006]本發(fā)明實現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是:單端密封圓筒內(nèi)活塞振動測空氣比熱容比的方法，其特征是:一個圓筒，由硬質(zhì)透明材料制作而成，圓筒分成兩段，其中一段為空心圓柱、底端密封，在密封的底端布置一個壓強傳感器，壓強傳感器的探頭位于圓筒內(nèi)側(cè)，壓強傳感器的信號線連接到數(shù)字示波器，通過數(shù)字示波器顯示圓筒內(nèi)部壓強的變化曲線，從變化曲線測量振動的周期T，圓筒的另一段為空心圓管，空心圓管和空心圓柱的內(nèi)徑相同，其內(nèi)部半徑記為r，空心圓管和空心圓柱通過螺紋連接，在螺紋連接處有密封墊圈；圓筒的外表面沿圓筒的長度方向有一個毫米刻度尺；圓筒的表面有一個水平泡，用于指示圓筒是否處于水平狀態(tài)；旋開圓筒的螺紋連接，在圓筒的空心圓管端插入兩處密封活塞，兩處密封活塞由兩個活塞和一個活塞連桿組成，兩處密封活塞的質(zhì)量為m，活塞連桿為能夠被磁場吸引的不銹鋼材料制作而成，活塞連桿的兩個端面分別固定一個活塞；在圓筒的空心圓管端插入兩處密封活塞后，通過螺紋連接連接到圓筒的空心圓柱，將圓筒放置在水平支撐架上，并調(diào)節(jié)支撐架使圓筒水平，通過水平泡觀察圓筒是否處于水平狀態(tài)，此時圓筒密封端內(nèi)部端面到最近活塞表面的距離為密封空氣的長度，其密封空氣的長度能夠通過圓筒外側(cè)的刻度尺的刻度讀出，其密封空氣的長度記為h，其密封空氣的體積V=Ji *r2*h ;將一個磁鐵伸入到圓筒的空心圓管端，接觸到活塞，磁場吸住活塞連桿的不銹鋼，然后向圓筒開口端拉動活塞連桿，隨著活塞的移動，密封空氣的壓強逐漸減少，與外界的壓強差增加，當磁場力小于空氣壓強差產(chǎn)生的力量，則兩處密封活塞脫離磁鐵，從圓筒中取出磁鐵，則兩處密封活塞在密封空氣的彈性作用下將會發(fā)生振動，從數(shù)字示波器(8)顯示的曲線測量其振動周期T，從氣壓表測量空氣的大氣壓值P ;空氣比熱容比由公式Y(jié)=4 3imh/( r 2T2P)計算。
[0007]本發(fā)明所帶來的有益效果是:空氣處于密封狀態(tài)，密封空氣具備彈性，空氣彈簧(密封空氣、在汽車等使用，起減震效果)的使用也驗證了空氣具有良好的彈性；現(xiàn)有技術(shù)的空氣一直處于充氣一泄漏狀態(tài)，本發(fā)明的實驗原理更嚴謹；現(xiàn)有技術(shù)的氣孔漏氣，不是一個嚴格的簡諧振動，本發(fā)明的氣孔的作用是減少推動活塞的力量，在振動的過程處于密封狀態(tài)，也就相對于不存在，因此是一個嚴格的簡諧振動；現(xiàn)有技術(shù)由于原理的不完善、不嚴謹，在無法定量討論其漏氣影響的情況下，其結(jié)果就像是憑運氣，給人一種巧合的感覺；本發(fā)明的活塞是平動，不會出現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)動現(xiàn)象；起振方法簡單易行；相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明不需要打氣裝置，結(jié)構(gòu)更簡單，成本更低廉。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的裝置示意圖；圖2是一端密封圓筒內(nèi)有活塞的裝置示意圖。
[0009]其中，1、圓筒；2、螺紋連接；3、水平泡，4、兩處密封活塞；5、活塞連桿；6、磁鐵；7、壓強傳感器；8、數(shù)字示波器；h、密封空氣的長度。

【具體實施方式】
[0010]一個圓筒1，由硬質(zhì)透明材料制作而成，硬質(zhì)透明材料為玻璃、硬質(zhì)塑料等能夠耐壓、壓強導致的形變比較小(能夠忽略)的材料；圓筒分成兩段，其中一段為空心圓柱、底端密封，在密封的底端布置一個壓強傳感器7，壓強傳感器的探頭位于圓筒I內(nèi)側(cè)，壓強傳感器的信號線連接到數(shù)字示波器8，通過數(shù)字示波器顯示圓筒內(nèi)部壓強的變化曲線，從而測量其周期；圓筒I的另一段為空心圓管，空心圓管和空心圓柱的內(nèi)徑相同，其內(nèi)部半徑記為r，空心圓管和空心圓柱通過螺紋連接2，在螺紋連接2處有密封墊圈，密封墊圈與水杯、水閥等的密封墊圈一樣，屬于現(xiàn)有技術(shù)。
[0011]圓筒I的外表面沿長度方向有一個毫米刻度尺。
[0012]圓筒I的表面有一個水平泡,用于指不圓筒是否處于水平狀態(tài)，由于圓筒為圓形，水平泡3主要觀察水平泡3相對于圓筒I的長度方向是否對稱，即可以判斷是否水平。
[0013]先在圓筒I的空心圓管端插入兩處密封活塞4，兩處密封活塞4由兩個活塞和一個活塞連桿5組成，活塞連桿5為能夠被磁場吸引的不銹鋼材料制作而成，活塞連桿5的兩個端面分別固定一個活塞；為減少摩擦，能夠采用現(xiàn)有技術(shù)在活塞與圓筒的接觸面涂抹潤滑油；在圓筒I的空心圓管端插入兩處密封活塞4后，通過螺紋連接2連接到圓筒I的空心圓柱，此時在兩處密封活塞4的靠近空心圓柱的活塞和空心圓柱的底端之間密封空氣，其密封空氣的長度能夠通過圓筒外側(cè)的刻度讀出，其密封空氣的長度記為h，其密封空氣的體積
V= η 氺r2氺h。
[0014]將圓筒I放置在水平支撐架上，并調(diào)節(jié)圓筒I水平，通過水平泡3觀察圓筒是否處于水平狀態(tài)；然后將一個磁鐵6伸入到圓筒I的空心圓管端，接觸到活塞，磁場吸住活塞連桿5的不銹鋼，然后向圓筒外側(cè)拉動活塞連桿5，隨著活塞的移動，密封空氣的壓強逐漸減少，與外界的壓強差增加，當磁場力小于空氣壓強差產(chǎn)生的力量，則兩處密封活塞4脫離磁鐵，從圓筒I中取出磁鐵6，則兩處密封活塞4在密封空氣的彈性作用下將會發(fā)生振動。
[0015]根據(jù)絕熱方程PVy=C,
其中，P為密封空氣的壓強值，V為密封空氣的體積，Y為空氣比熱容比(又稱為空氣的絕熱系數(shù))，C為一個常量；
對兩邊進行微分，得到 dP* VY+P*dVY=dP* VY+P*(y VY_1)*dV =dC=0，
所以，
dP=-(P* y/V)dV ；
當磁鐵6拉動連接活塞的不銹鋼移動時，導致密封空氣的壓強減小dP，其活塞兩端的壓強差為dP，壓強差產(chǎn)生的該作用力F為:
F=S*dP= τι *r2*dP
該作用力作用于兩處密封活塞4 (兩處密封活塞4的質(zhì)量記為m)，將產(chǎn)生加速度a，加速度等于位移X對時間t的二價導數(shù)dx2/dt2，其中X定義為運動時活塞的位置相對于活塞靜止時的平衡位置的位移，則F= * r2氺dP=m dx2/dt2V= Ji 氺 r2 氺hdV= τι 氺 Γ2 氺X
JI 氺 r2*dp=- 31 * r 2氺(P氺 Y )氺x/h=m dx2/dt2
所以
dx2/dt2+[ η * r 2*Ρ* Y / (m h)]*x =O
上面是一個簡諧振動方程，其圓頻率ω為:
ω =2 31 f=2 n /T= [ Ji * r 2*P* y / (mh)]0.5
其中f為振動頻率，T振動周期，則空氣比熱容比Y為:
Y=4 τι mh/ ( r 2T2P)
上式中，圓周率η =3.14159邱為兩處密封活塞4的質(zhì)量(包含兩個活塞以及兩個活塞之間活塞連桿的質(zhì)量)；h為活塞處于平衡位置密封空氣的長度，即圓筒內(nèi)部密封端面到最近的活塞端面之間的距離為圓筒I的內(nèi)部半徑；T為振動周期，為待測量，從數(shù)字示波器8顯示的曲線測量其振動周期T ；Ρ為外界壓強，為待測量，從氣壓表測量空氣的大氣壓值P。
【權(quán)利要求】
1.單端密封圓筒內(nèi)活塞振動測空氣比熱容比的方法，其特征是:一個圓筒(1)，由硬質(zhì)透明材料制作而成，圓筒分成兩段，其中一段為空心圓柱、底端密封，在密封的底端布置一個壓強傳感器(7)，壓強傳感器的探頭位于圓筒(I)內(nèi)側(cè)，壓強傳感器的信號線連接到數(shù)字示波器(8)，通過數(shù)字示波器顯示圓筒內(nèi)部壓強的變化曲線，從變化曲線測量振動的周期T，圓筒(I)的另一段為空心圓管，空心圓管和空心圓柱的內(nèi)徑相同，其內(nèi)部半徑記為r，空心圓管和空心圓柱通過螺紋連接(2)，在螺紋連接(2)處有密封墊圈；圓筒(I)的外表面沿圓筒(I)的長度方向有一個毫米刻度尺；圓筒(I)的表面有一個水平泡，用于指示圓筒是否處于水平狀態(tài)；旋開圓筒(I)的螺紋連接(2)，在圓筒(I)的空心圓管端插入兩處密封活塞(4)，兩處密封活塞(4)由兩個活塞和一個活塞連桿(5)組成，兩處密封活塞(4)的質(zhì)量為m，活塞連桿(5)為能夠被磁場吸引的不銹鋼材料制作而成，活塞連桿(5)的兩個端面分別固定一個活塞；在圓筒(I)的空心圓管端插入兩處密封活塞(4)后，通過螺紋連接(2)連接到圓筒(I)的空心圓柱，將圓筒(I)放置在水平支撐架上，并調(diào)節(jié)支撐架使圓筒(I)水平，通過水平泡(3)觀察圓筒(I)是否處于水平狀態(tài)，此時圓筒(I)密封端內(nèi)部端面到最近活塞表面的距離為密封空氣的長度，其密封空氣的長度能夠通過圓筒外側(cè)的刻度尺的刻度讀出，其密封空氣的長度記為h，其密封空氣的體積V=Ji*r2*h ;將一個磁鐵(6)伸入到圓筒(I)的空心圓管端，接觸到活塞，磁場吸住活塞連桿(5)的不銹鋼，然后向圓筒(I)開口端拉動活塞連桿(5)，隨著活塞的移動，密封空氣的壓強逐漸減少，與外界的壓強差增加，當磁場力小于空氣壓強差產(chǎn)生的力量，則兩處密封活塞(4)脫離磁鐵，從圓筒(I)中取出磁鐵(6)，則兩處密封活塞(4)在密封空氣的彈性作用下將會發(fā)生振動，從數(shù)字示波器(8)顯示的曲線測量其振動周期T，從氣壓表測量空氣的大氣壓值P ;空氣比熱容比由公式Y(jié)=4Jimh/( r 2T2P)計算。
【文檔編號】G01N7/00GK104237062SQ201410517083
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月30日
【發(fā)明者】饒大慶, 朱俊, 雍志華, 羅明蓉, 李娟 , 鄒旭敏, 王維果, 穆萬軍, 胡再國, 程艷, 梁雅庭, 劉石丹, 田野中, 于白茹, 李偉, 李紫原, 梁小沖 申請人:四川大學