一端密封圓筒內(nèi)活塞振動測空氣比熱容比的方法
【專利摘要】一端密封圓筒內(nèi)活塞振動測空氣比熱容比的方法，一個內(nèi)部半徑記為r的透明圓筒水平放置，分成兩段，一段為空心圓柱、底端密封，另一段為空心圓管，兩段通過螺紋密封連接；圓筒的外表面沿長度方向有一個毫米刻度尺和一個水平泡；活塞體由兩個活塞和一個不銹鋼連桿組成；旋開圓筒的螺紋連接后，在圓筒的空心圓管端插入活塞體，然后通過螺紋密封圓筒，將一個磁鐵伸入到圓筒的空心圓管端，磁場吸住不銹鋼連桿并拉動活塞體移動，活塞體脫離磁鐵，活塞體將會發(fā)生振動；空氣比熱容比γ為γ=4πmL/(r2T2P)，其中，m活塞體的質(zhì)量，L為平衡位置密封空氣的長度，r為圓筒的內(nèi)部半徑，T為振動周期，P為外界空氣的大氣壓強(qiáng)值。有益效果是：密封空氣具有良好的彈性；實驗原理更嚴(yán)謹(jǐn)；是一個嚴(yán)格的簡諧振動；起振方法簡單易行；結(jié)構(gòu)更簡單，成本更低廉。
【專利說明】 一端密封圓筒內(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(jìn)，臺州學(xué)院學(xué)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(xué)，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(qiáng)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(dāng)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(qiáng)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(dá)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(qiáng)大于小球上端的氣體壓強(qiáng)，受到的氣體的推力作用，動能逐漸減弱，當(dāng)動能為零后，鋼球A在球體上下端所受到的氣體壓強(qiáng)差產(chǎn)生的推力作用，鋼球A再次向上運動，往復(fù)進(jìn)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(xiàn)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(xué)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(xué)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(xiàn)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(qiáng)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(xiàn)“振動法測氣體比熱容比實驗方法的改進(jìn)”，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(qiáng)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(xiàn)“振動法測氣體比熱容比實驗方法的改進(jìn)”也發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(文獻(xiàn)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(dǎo)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)計一種一端密封圓筒內(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:一端密封圓筒內(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，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；圓筒的外表面沿長度方向有一個毫米刻度尺；圓筒的外表面有一個水平泡，用于指示圓筒是否處于水平狀態(tài)；活塞體由兩個活塞和一個不銹鋼連桿組成，不銹鋼連桿為能夠被磁場吸引的不銹鋼材料制作而成，不銹鋼連桿的兩個端面分別固定一個活塞；活塞與圓筒的接觸面涂抹潤滑油;旋開圓筒的螺紋連接后，在在圓筒的空心圓管端插入活塞體，然后通過螺紋連接連接到圓筒的空心圓柱，再將圓筒固定在一個水平支撐架上，調(diào)節(jié)水平支撐架的調(diào)節(jié)裝置，使圓筒處于水平狀態(tài)，此時在圓筒密封端內(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)的毫米刻度尺的刻度讀出，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，磁場吸住不銹鋼連桿，然后向圓筒外側(cè)拉動不銹鋼連桿促使活塞體移動，隨著活塞體的移動，密封空氣的壓強(qiáng)逐漸減少，與外界的壓強(qiáng)差增加，當(dāng)磁場力小于空氣壓強(qiáng)差產(chǎn)生的力量，則活塞體脫離磁鐵，從圓筒中取出磁鐵，則活塞體在密封空氣的彈性作用下將會發(fā)生振動；則空氣比熱容比Y為Y=4 3imL/( r 2T2P),其中，圓周率π =3.14159，m為兩個活塞以及兩個活塞之間連接的不銹鋼連桿的質(zhì)量之和，L為平衡位置密封空氣的長度，r為圓筒的內(nèi)部半徑，T為振動周期，P為外界空氣的大氣壓強(qiáng)值。
[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(yán)謹(jǐn)；現(xiàn)有技術(shù)的氣孔漏氣，不是一個嚴(yán)格的簡諧振動，本發(fā)明在振動的過程中空氣處于密封狀態(tài)，因此是一個嚴(yán)格的簡諧振動；現(xiàn)有技術(shù)由于原理的不完善、不嚴(yán)謹(jǐn)，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)活塞振動測空氣比熱容比裝置示意圖。
[0009]其中，1、圓筒，2、螺紋連接，3、水平泡，4、活塞，5、不銹鋼連桿，6、磁鐵，L、密封空氣

的長度?！揪唧w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(qiáng)導(dǎo)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，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和一個水平泡3，水平泡3用于指示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。
[0012]活塞體由兩個活塞4和一個不銹鋼連桿5組成，不銹鋼連桿5為能夠被磁場吸引的不銹鋼材料制作而成，不銹鋼連桿5的兩個端面分別固定一個活塞4 ;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的空心圓管端插入活塞體后，然后通過螺紋連接2連接到圓筒I的空心圓柱，將圓筒I固定在一個水平支撐架上，調(diào)節(jié)水平支撐架的調(diào)節(jié)裝置，使圓筒I處于水平狀態(tài)，調(diào)節(jié)水平和依據(jù)水平泡判斷水平是現(xiàn)有技術(shù)，只是在本發(fā)明的水平泡位于圓筒I表面(曲面)、只需要判斷水平泡3中心的氣泡是否在圓筒I的長度方向上處于對稱位置(對稱中心)即可，不需要垂直于圓筒方向也處于對稱中心(如果需要、則需要旋轉(zhuǎn)圓筒來實現(xiàn)，由于該方向?qū)Ρ景l(fā)明的設(shè)計沒有影響，所以不必考慮)，此時在圓筒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)的毫米刻度尺的刻度讀出，其密封空氣的長度記為h，其密封空氣的體積V= n *r2*h。
[0013]將一個磁鐵6伸入到圓筒I的空心圓管端，接觸到活塞，磁場吸住不銹鋼連桿5的不銹鋼，然后向圓筒外側(cè)拉動不銹鋼連桿5促使活塞體移動，隨著活塞的移動，密封空氣的壓強(qiáng)逐漸減少，與外界的壓強(qiáng)差增加，當(dāng)磁場力小于空氣壓強(qiáng)差產(chǎn)生的力量，則活塞體脫離磁鐵，從圓筒I中取出磁鐵6，則活塞體在密封空氣的彈性作用下將會發(fā)生振動。
[0014]根據(jù)絕熱方程PVy=C,
其中，P為密封空氣的壓強(qiáng)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(jìn)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(dāng)磁鐵拉動連接活塞的不銹鋼連桿5移動時，導(dǎo)致密封空氣的壓強(qiáng)減小dP，壓強(qiáng)差產(chǎn)生的該作用力F為:
F=S*dP= τι *r2*dP
該作用力作用于活塞體(活塞體的質(zhì)量記為m，即兩個活塞4和不銹鋼連桿5的質(zhì)量之和)，將產(chǎn)生加速度a，加速度等于位移X對時間t的二價導(dǎo)數(shù)dx2/dt2，其中X定義為運動時活塞4的位置相對于活塞4靜止時的平衡位置的位移，則F= * r2氺dP=m dx2/dt2V= Ji * r2*L
dV= τι 氺 r2 氺X
Ji * r2*dP=_ π * r 2* (P* y ) *x/ L =m dx2/dt2
所以
dx2/dt2+[ n * r 2*P* y / (m L)]*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 / (m L) ]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 Jim L /( r 2T2P)
上式中，圓周率η =3.14159邱為活塞體的質(zhì)量(包含兩個活塞4以及兩個活塞之間連接的不銹鋼連桿5的質(zhì)量)；L為平衡位置(活塞4處于靜止時)密封空氣的長度；r為圓筒I的內(nèi)部半徑；T為振動周期，為待測量，通過光電門進(jìn)行測量，光電門測量振動的周期是一種現(xiàn)有技術(shù)，光電門的發(fā)光二極管和接收二極管的連線過圓筒I橫截面(為圓形)的圓心，在四川大學(xué)物理實驗中心使用的裝置(現(xiàn)有技術(shù)，與參考文獻(xiàn)I和2的裝置相同)也是采用光電門測量振動周期；P為外界大氣壓強(qiáng)，為待測量，通過氣壓表測量。
【權(quán)利要求】
1.一端密封圓筒內(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，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)的外表面沿長度方向有一個毫米刻度尺；圓筒(I)的外表面有一個水平泡，用于指示圓筒是否處于水平狀態(tài)；活塞體由兩個活塞(4)和一個不銹鋼連桿(5)組成，不銹鋼連桿(5)為能夠被磁場吸引的不銹鋼材料制作而成，不銹鋼連桿(5)的兩個端面分別固定一個活塞；活塞(4)與圓筒(I)的接觸面涂抹潤滑油；旋開圓筒(I)的螺紋連接(2)后，在在圓筒(I)的空心圓管端插入活塞體，然后通過螺紋連接(2)連接到圓筒(I)的空心圓柱，再將圓筒(I)固定在一個水平支撐架上，調(diào)節(jié)水平支撐架的調(diào)節(jié)裝置，使圓筒(I)處于水平狀態(tài)，此時在圓筒(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)的毫米刻度尺的刻度讀出，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(O的空心圓管端，接觸到活塞，磁場吸住不銹鋼連桿(5)，然后向圓筒外側(cè)拉動不銹鋼連桿(5)促使活塞體移動，隨著活塞體的移動，密封空氣的壓強(qiáng)逐漸減少，與外界的壓強(qiáng)差增力口，當(dāng)磁場力小于空氣壓強(qiáng)差產(chǎn)生的力量，則活塞體脫離磁鐵，從圓筒(I)中取出磁鐵(6)，則活塞體在密封空氣的彈性作用下將會發(fā)生振動；則空氣比熱容比Y為Υ=4ππ! L /( r2T2P),其中，圓周率π =3.14159，m為兩個活塞(4)以及兩個活塞之間連接的不銹鋼連桿(5)的質(zhì)量之和，L為平衡位置密封空氣的長度，r為圓筒(I)的內(nèi)部半徑，T為振動周期，P為外界空氣的大氣壓強(qiáng)值。
【文檔編號】G01N25/20GK104237304SQ201410517402
【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(xué)