專利名稱:基本物理量多用測(cè)量儀的制作方法
本儀器涉及若干項(xiàng)物理量測(cè)量的一種新型工具，能測(cè)各種狀態(tài)物質(zhì)的密度、混合物質(zhì)的百分比濃度和液體的體脹系數(shù)，還能測(cè)物體的長度、體積、質(zhì)量、重量和液壓，作為實(shí)驗(yàn)儀器它能演示光色散和測(cè)量浮子阻尼振動(dòng)參數(shù)。
現(xiàn)有的用于液體密度測(cè)量的玻璃管比重計(jì)，包括波美比重計(jì)，其原理和原型是由阿基米德2200年前發(fā)明的，是由一個(gè)密閉的玻璃細(xì)管，其上部貼有刻度紙，中部偏下有一個(gè)膨大的氣泡空腔，下部裝有鉛丸或水銀，使玻璃管比重計(jì)能垂直地浮在被測(cè)液體表面。常用的比重計(jì)按其測(cè)量范圍分為重表和輕表兩種。重表的下部所裝鉛丸或水銀較多，用來測(cè)量密度大于1.0×103千克／米3的液體的密度，輕表的下部所裝的鉛丸或水銀較少。用來測(cè)量密度小于1.0×103千克／米3的液體的密度，某些專門用途的比重計(jì)，例如酒精計(jì)還按檢測(cè)溶液的濃度的多種范圍采用多種不同規(guī)格的結(jié)構(gòu)。根據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的這種比重計(jì)用于液體密度的測(cè)量時(shí)明顯存在如下五個(gè)方面的弊端1、測(cè)量誤差與被測(cè)液體的密度有關(guān)；密度越大或越小的液體測(cè)量時(shí)都會(huì)有較大的測(cè)量誤差；2、測(cè)量所依據(jù)的物理基本原理一阿基米德定律和浮沉條件被扭曲了；3、其刻度具有上疏下密的不均勻特征，使制造和測(cè)量精確度受到限制；4、測(cè)量的數(shù)值范圍太小，對(duì)被測(cè)液體的份量和深度有一定要求；5、制造工藝較復(fù)雜而且易碎。
本儀器的任務(wù)主要是提供一種新的密度儀，基本克服現(xiàn)有比重計(jì)存在的上述不足，并有可測(cè)氣體、固體和較少份量液體密度的特殊功能和可測(cè)量其它多種物理量的多種功能。
本儀器的任務(wù)是以如下方式完成的采用機(jī)械強(qiáng)度較好的透明薄片材料，制成一個(gè)上下處處有相等的橫截面積的中空、一端封閉的細(xì)長形盒式裝置，其橫截面積最好為正三棱形，見圖1、圖2、截面大小由需要決定，在其外壁面上刻上若干組相同均勻的刻度，例如以厘米、毫米刻度為基準(zhǔn)，刻出對(duì)應(yīng)的不同物理量的數(shù)值和單位。另外還要將儀器外截面積S外和外截面與內(nèi)腔截面之比S外／S內(nèi)。K事先選定并標(biāo)出，可采用無縫管外接底面的方式生產(chǎn)。
如下就刻度原理，密度測(cè)量的各種情況以及其它各種用途情況結(jié)合附圖與數(shù)據(jù)詳細(xì)說明圖1、2是構(gòu)造圖，全部數(shù)據(jù)依S外＝400mm2幾何系數(shù)K＝1.5625給出圖3、是一般液體密度測(cè)量的原理圖。
圖4、是測(cè)少份量液體密度的原理圖。
圖5、是測(cè)固體物質(zhì)密度的原理圖圖6、是測(cè)周圍氣體密度的原理圖。
參照?qǐng)D3盒式密度儀浮在任意液體或者水的表面符合阿基米德定律和浮沉條件F浮＝ρ液·S外·h液·g＝ρ水·S外h水·g＝G儀最后有ρ液＝ (h水)/(h液) ·ρ水(1)依據(jù)此式壁面刻度是均勻的，可直接利用厘米、毫米刻度單位將式中h水以及h液準(zhǔn)確讀出，如下依(1)式可測(cè)出和刻出的一組實(shí)際數(shù)據(jù)，如未頁附表所示。
(1)式中h水刻線即為密度儀吃水深度線，表明對(duì)應(yīng)于水的密度1.0×1.03千克／米3，可根據(jù)液體密度的實(shí)際測(cè)量值范圍的最小數(shù)值來選定h水刻線上方的刻度范圍表明小于1.0×103千克／米3的密度范圍，大于1.0×103千克／米3的密度沒有明確界限。在允許的情況h水深度應(yīng)選大一些，一般可使h水線上方有1／3總高度，儀器的測(cè)量范圍就比玻璃管比重計(jì)重表和輕表加在一起的測(cè)量值范圍還要大了。它的調(diào)試很簡單，主要是調(diào)節(jié)儀表本身的重量和重心位置，方法是向盒內(nèi)投入適量重物，可采用鐵屑最好是鉛丸和加熱的蠟液同時(shí)投入的方法，使選定的h水刻線正好和水面平齊，此時(shí)儀器的重心和浮力中心在儀器正中線上，儀器能豎直地浮在水面上，待蠟液凝固以后，理想的調(diào)試結(jié)果就被永久地保持下來了。如使用時(shí)，為了提高精度，可臨時(shí)調(diào)節(jié)加大h水深度，此時(shí)只要在內(nèi)腔加入些水即可。
(1)式中h液為密度儀垂直地浮在某種待測(cè)液體表面時(shí)浸入液體的深度。測(cè)量物質(zhì)密度的方法如下1、測(cè)份量足夠的液體，將密度儀放在待測(cè)液體表面上，見附圖3根據(jù)(1)式只要讀出h液即可知密度ρ液。
2、測(cè)較少份量的液體密度，可將適量被測(cè)液體放入密度儀內(nèi)腔后，再將密度儀放在水面上，見附圖4、此有ρ液＝ (h外－h(huán)水)/(h內(nèi)液) K·ρ水＝ (△h外水)/(h內(nèi)液) K·ρ水(2)只要從刻度上讀出△h外水，h內(nèi)液依(2)式就可知ρ液。
3、測(cè)固體物塊，先在盒內(nèi)盛些水，再把密度儀放在水面上，可讀出h外1、h內(nèi)1刻度數(shù)，最后將待測(cè)固體的若干大小不一的物塊小心地投入盒內(nèi)水中，務(wù)使物塊全部浸沒水中，并保持儀器仍然垂直地浮在水面，再讀h外2以及h內(nèi)2，見圖5、此時(shí)有ρ物＝ (h外2－h(huán)外1)/(h內(nèi)2－h(huán)內(nèi)1) K·ρ水＝ (Δh外水)/(Δh內(nèi)水) ·K·ρ水(3)4、如若考慮到周圍氣體的影響，可以測(cè)出周圍氣體的密度，取如圖6示裝置，支座架①和可上下自由調(diào)節(jié)的水平鐵片②。
測(cè)法先將密度儀內(nèi)盛入些水，調(diào)節(jié)水平鐵片②和儀器頂端剛好四處挨著，此時(shí)、考慮密度儀內(nèi)盛水前后的情況有ρ氣·h內(nèi)·S內(nèi)＋m儀＝ρ水·h水·S外 ①ρ氣·h內(nèi)上2·S內(nèi)＋ρ水·h內(nèi)下2·S內(nèi)＋m儀＝ρ水·h外2·S外 ②①－②應(yīng)有ρ氣＝(1－k (h外2－h(huán)水)/(h內(nèi)下2) )·ρ水＝(1－k (Δh外水)/(h內(nèi)水) )·ρ水(4)裝置①和②的作用是承受儀器上方全部氣體的重力作用。
很明顯，物質(zhì)密度測(cè)量的精確度提高了，另據(jù)實(shí)際比較，測(cè)液體密度時(shí)此多用儀的靈敏度在廣大測(cè)量范圍內(nèi)都比玻璃管比重(輕)計(jì)提高了。
本儀器的其它應(yīng)用有如下1、長度測(cè)量，因?yàn)椴捎昧死迕?、毫米刻度基?zhǔn)，此儀器可測(cè)量物體的長、寬、高，刻度精確到毫米。
2、體積(或容量)測(cè)量，此儀器可作為量筒使用，其內(nèi)腔中液體的容量為V＝S外·h／K將長度測(cè)量的刻度對(duì)應(yīng)地刻出量筒的容量單位(或體積單位)即可測(cè)量液體容量，不規(guī)則固體的體積。刻度可準(zhǔn)確到毫米3。
3、液體壓強(qiáng)的測(cè)量，依液體壓強(qiáng)的公式P＝ρ液·g·h可將不同深度處對(duì)應(yīng)的水的壓強(qiáng)值P水一一刻出，可精確到每毫米水深9.8帕斯卡。測(cè)量方法是將儀器垂直地插入或浮在水面上。吃水深度對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)即為儀器外底水的壓強(qiáng)。如果要測(cè)某種液體內(nèi)某深度處的壓強(qiáng)?？捎帽緝x器先測(cè)出液體的密度，(方法見前)并算出其相對(duì)密度C即C＝ρ液／ρ水。此時(shí)從儀器上讀出液體內(nèi)某深度對(duì)應(yīng)的水的壓強(qiáng)值P水再乘以C。即得液體某深度處儀器外底面所受液體壓強(qiáng)的值。
P液＝P水·C4、重量(或質(zhì)量)的測(cè)量，此儀器豎直浮在水面上滿足阿基米德定律和浮沉條件F浮＝ρ水·S外·g·h＝G這和彈簧秤依據(jù)的胡克定律F＝KX有極為相似之處，兩相比較K＝ρ水·S外·g是一個(gè)常數(shù)。可稱浮力系數(shù)。量綱［牛頓／米］依這樣的關(guān)系，可刻出不同水深處對(duì)應(yīng)的重量數(shù)和單位，也可依壓力(此處即重力)等于底面壓強(qiáng)乘以底面積的關(guān)系刻出重力數(shù)值和單位，二者結(jié)果是一樣的，刻度的精度依儀器外形尺寸而定，一般的比彈簧秤的精密度要好些，例如已制樣機(jī)S外＝19.36厘米2、浮力系數(shù)為18.97牛頓／米。其重量單位的精密度可達(dá)每毫米水深1.897×10－2牛頓。質(zhì)量單位的精密度可達(dá)每毫米水深1.936克。此儀器可很方便地稱量一些很小的物體的重量，如果換用ρ液較小的液體和S外較小的尺寸，其精密度還可大大提高。
5、將儀器豎直地浮在水(或其它液體)面上，用手壓下然后松開就演示成為一個(gè)液面浮子阻尼振動(dòng)的物理模型，可求出它的振幅、振動(dòng)周期以及振動(dòng)衰減情況，其振動(dòng)的圓頻率ω＝k /m]]>＝ρ液·s 外·g / m 儀]]>可見與液體的密度和儀器外截面積等有關(guān)。據(jù)此可測(cè)量時(shí)間T＝2π／ω6、橫截面積為正三棱形的多用儀具有使用方便的特點(diǎn)，在其中裝一些清水，它就是一個(gè)液體三棱鏡，可演示光的色散現(xiàn)象。
7、此儀器還可用以分析兩種混合物質(zhì)的百分比濃度。
8、考慮到液體密度受溫度的影響，可測(cè)量液體的體脹系數(shù)β。
本儀器除作為一種量具外，可作為中學(xué)生的一種學(xué)習(xí)用具，能演示和驗(yàn)證初中物理教材和大綱中規(guī)定的許多實(shí)驗(yàn)。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量多種物理量的儀器，其特征在于它是由透明材料制成的一個(gè)中空、薄壁、一端封閉、內(nèi)外、上下、處處有相等的橫截面積的細(xì)長形盒式裝置，其內(nèi)外橫截面均為正三棱形，在其外表面上刻出(1)外截面積S外單位mm2，(2)外截面和內(nèi)腔截面之比K=S外/S內(nèi)，(3)六組毫米間隔的刻度和相應(yīng)的物理量值及單位。
2.依權(quán)利要求
1規(guī)定的儀器其特征是其內(nèi)腔下底部為調(diào)試時(shí)填充的逞水平表面的混合物配重。
專利摘要
本儀器涉及若干項(xiàng)物理量測(cè)量的一種新型工具，能測(cè)各種狀態(tài)物質(zhì)的密度、混合物質(zhì)的百分比濃度和液體的體脹系數(shù)，還能測(cè)物體的長度、體積、質(zhì)量、重量和液壓，作為實(shí)驗(yàn)儀器它能演示光色散和測(cè)量浮子阻尼振動(dòng)參數(shù)。
文檔編號(hào)G01D21/02GK87207121SQ87207121
公開日1988年11月30日 申請(qǐng)日期1987年5月25日
發(fā)明者李應(yīng)春 申請(qǐng)人:李應(yīng)春導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan