本發(fā)明涉及一種物理學(xué)量的測量方法，尤其涉及的是一種空氣比熱容比的測量儀器及其測量方法。

背景技術(shù)：

定壓比熱容Cp與定容比熱容Cv之比稱為氣體比熱容比，通常用符號γ表示,即γ＝Cp/Cv，是描述氣體熱力學(xué)性質(zhì)的一個重要參數(shù)。根據(jù)分子運(yùn)動理論,γ的理論值為(n+2)/n，n為氣體分子微觀運(yùn)動自由度的數(shù)目。當(dāng)原子氣體分子只有三個平移運(yùn)動自由度，即n＝3，故γ＝5/3。氬、氦等單原子氣體的γ實驗值(1.66)與此非常接近。在不太高的溫度下，雙原子氣體分子除有三個平動自由度外，還有兩個轉(zhuǎn)動自由度，即運(yùn)動自由度n＝5，所以γ＝7/5。工程上常見的雙原子氣體，如氧、氮等分子在很寬的溫度范圍內(nèi)的γ值也很接近此值。準(zhǔn)確的實驗值隨溫度的上升而略有下降。對于三原子氣體，分子運(yùn)動的自由度至少有六個，故γ＝4/3或更小些，如二氧化碳(CO₂)的γ值等于1.30。在空氣動力學(xué)中，空氣的γ值常取為1.40，噴氣發(fā)動機(jī)中的燃后氣體的γ值常取為1.33，火箭發(fā)動機(jī)中的燃后氣體的γ值則常取為1.25。

絕熱指數(shù)，英文名稱：ad i abat ic exponent，理想氣體可逆絕熱過程的指數(shù)稱為絕熱指數(shù)，用K表示，所以理想氣體比熱容比等于絕熱指數(shù)γ。若流體工質(zhì)在狀態(tài)變化的某一過程中不與外界發(fā)生熱交換，則該過程就稱為絕熱過程。用節(jié)流孔板測量氣體流量時，流體流過節(jié)流孔板時發(fā)生的狀態(tài)變化，可近似地認(rèn)為是一絕熱過程。為了在測量中能求出氣體膨脹系數(shù)，就需要知道表征被測氣體為絕熱過程的絕熱指數(shù)。若該氣體可認(rèn)為是理想氣體，則其絕熱指數(shù)K就是定壓比熱容與定容比熱容之比，即K＝Cp/Cv。對于實際氣體來說，絕熱指數(shù)與氣體的種類、所受壓力、溫度有關(guān)。一般地說，單原子氣體的絕熱指數(shù)K為1.66，雙原子氣體的絕熱指數(shù)K為1.41。

目前物理實驗教學(xué)中對比熱容比γ的測量，通常采用集氣瓶打氣放氣的方法。此方法測量精度低，測量時人為主觀因素對測量結(jié)果影響大，對測得的結(jié)果和理論值沒有可比性。另外由于實驗教學(xué)中難以實現(xiàn)對聲速高精度測量，且還未提供改變溫度測量聲音速度的方法。所以還沒有通過利用公式來測量空氣比熱容比的新方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種空氣比熱容比的測量儀器及其測量方法，利用聲速與溫度之間的關(guān)系其中V為聲音速度，γ為比熱容比，R摩爾氣體常數(shù)，M氣體的摩爾質(zhì)量，T為熱力學(xué)溫度；通過測量一系列不同溫度T對應(yīng)的聲速V，便可擬合得出比熱容比γ。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種空氣比熱容比的測量儀器，包括聲速測量管、聲控發(fā)光單元陣列、電源端蓋、反射端蓋；

所述聲速測量管為圓筒形透明雙層結(jié)構(gòu)；

所述聲控發(fā)光單元陣列設(shè)在聲速測量管內(nèi)壁上；聲速測量管一端面設(shè)有電源端蓋，另一端面設(shè)有反射端蓋；

位于電源端蓋一端部的聲速測量管上設(shè)有出水口，位于反射端蓋一端部的聲速測量管上設(shè)有進(jìn)水口。

所述聲速測量管橫向設(shè)置在相對的兩個支架上。

所述聲控發(fā)光單元陣列正面上設(shè)有電路基板與貼片咪頭，反面上設(shè)有雙色LED。

所述電源端蓋包括電源端蓋外殼，在電源端蓋外殼內(nèi)側(cè)設(shè)有彈簧針連接器與壓電陶瓷蜂鳴片，外側(cè)設(shè)有電源開關(guān)、音頻信號輸入端與管內(nèi)音頻信號檢測輸出端。

所述聲速測量管內(nèi)空氣柱長度為已知定長，管內(nèi)壁設(shè)有聲控發(fā)光單元陣列，其用于顯示聲速測量管內(nèi)空氣駐波的波長個數(shù)，從而測得駐波波長。

所述聲控發(fā)光單元陣列將聲速測量管內(nèi)的聲音駐波狀態(tài)的聲音信號，轉(zhuǎn)換為光信號，用發(fā)光雙色LED直觀顯示出來，讀取聲速測量管內(nèi)部駐波波長個數(shù)。

所述電源端蓋用于將外接已知頻率的音頻信號轉(zhuǎn)換為聲音，并將電源連接到聲控發(fā)光單元陣列的電路基板上。

所述反射端蓋用于將電源端蓋發(fā)出的聲音反射回來，使得聲音在聲速測量管內(nèi)部來回震蕩形成駐波。

一種空氣比熱容比的測量方法，該測量方法包括下述順序步驟：

向聲速測量管的圓筒形透明雙層結(jié)構(gòu)內(nèi)通入一定溫度T的水；

通過電源端蓋外接已知頻率的音頻信號轉(zhuǎn)換為聲音，并將電源連接到聲控發(fā)光單元陣列的電路基板上；通過反射端蓋將電源端蓋發(fā)出的聲音反射回來，使得聲音在聲速測量管內(nèi)部來回震蕩形成駐波；

利用聲控發(fā)光單元陣列將聲速測量管內(nèi)聲音強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)分布，讀出管內(nèi)波長個數(shù)，測得駐波波長；

利用波長和頻率計算對應(yīng)溫度的聲音速度V，根據(jù)即其中R和M為已知常數(shù)，通過測量溫度T對應(yīng)的聲速V，準(zhǔn)確的得出比熱容比γ。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)，有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明根據(jù)即其中R和M為已知常數(shù)，通過測量溫度T對應(yīng)的聲速V，可以非常準(zhǔn)確的得出比熱容比γ；

2、和通常聲速測量教學(xué)實驗儀器相比，改變以往在開放空間中測量聲速，采用管內(nèi)駐波法測量聲速，避免了外界噪聲的干擾，使得聲速測量精度更高；

3、本發(fā)明利用聲速測量管的雙層結(jié)構(gòu)，通過水循環(huán)控制聲速測量管內(nèi)部空氣的溫度，提高溫度控制的準(zhǔn)確性和溫度一致性，提供一種聲速測量中控制溫度的新方法；

4、本發(fā)明可通過測量多個溫度點對應(yīng)的聲速數(shù)據(jù)，結(jié)合最小二乘法進(jìn)行線性數(shù)據(jù)擬合，可更加準(zhǔn)確實現(xiàn)對比熱容比γ的測量，并進(jìn)一步豐富實驗教學(xué)內(nèi)容；

5、本發(fā)明采用聲控發(fā)光單元陣列，將聲速測量管內(nèi)的聲音駐波狀態(tài)的聲音信號，轉(zhuǎn)換為光信號，用發(fā)光LED直觀顯示出來，便于讀取聲速測量管內(nèi)部駐波波長個數(shù)。

附圖說明

為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

圖1是本發(fā)明一種空氣比熱容比的測量儀器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一種空氣比熱容比的測量儀器結(jié)構(gòu)剖面示意圖；

圖3是本發(fā)明聲控發(fā)光單元陣列正面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明聲控發(fā)光單元陣列反面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明電源端蓋結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明反射端蓋結(jié)構(gòu)示意圖；

其中：1-聲速測量管、2-聲控發(fā)光單元陣列、3-電源端蓋、4-反射端蓋、5-支架、11-進(jìn)水口、12-出水口、21-電路基板、22-貼片咪頭、23-雙色LED、31-電源端蓋外殼、32-彈簧針連接器、33-壓電陶瓷蜂鳴片、34-電源開關(guān)、35-音頻信號輸入端、36-管內(nèi)音頻信號檢測輸出端。

具體實施方式

下面將結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

一種空氣比熱容比的測量儀器，參見圖1-2，包括聲速測量管1、聲控發(fā)光單元陣列2、電源端蓋3、反射端蓋4和支架5；

聲速測量管1橫向設(shè)置在相對的兩個支架5上，用于支撐聲速測量管1，對儀器起到穩(wěn)定性作用；聲控發(fā)光單元陣列2設(shè)在聲速測量管1內(nèi)壁上；聲速測量管1一端面設(shè)有電源端蓋3，另一端面設(shè)有反射端蓋4；

具體地，聲速測量管1為圓筒形透明雙層結(jié)構(gòu)，中間可利用水循環(huán)改變聲速測量管內(nèi)部空氣溫度；

位于電源端蓋3一端部的聲速測量管1上設(shè)有出水口12，位于反射端蓋4一端部的聲速測量管1上設(shè)有進(jìn)水口11，便于利用水循環(huán)改變并控制管內(nèi)溫度；

參見圖3-4，聲控發(fā)光單元陣列2正面上設(shè)有電路基板21與貼片咪頭22，反面上設(shè)有雙色LED 23；雙色LED 23、貼片咪頭22均為貼片元器件，均是焊貼在電路板電路上的；

電源端蓋3起到給聲控發(fā)光單元陣列供電和同步控制作用，且可以將接入的音頻信號轉(zhuǎn)化為聲音信號，即可以發(fā)聲；參見圖5，電源端蓋3包括電源端蓋外殼31，在電源端蓋外殼31內(nèi)側(cè)設(shè)有彈簧針連接器32與壓電陶瓷蜂鳴片33，外側(cè)設(shè)有電源開關(guān)34、音頻信號輸入端35與管內(nèi)音頻信號檢測輸出端36；彈簧針連接器32是將電源端蓋中的電源接到發(fā)光單元陣列上，為其供電，且提供相應(yīng)的同步信號；壓電陶瓷蜂鳴片33用于將接入的音頻信號轉(zhuǎn)化為聲音，相當(dāng)于喇叭，由于表面平整(不同于喇叭)，能更有效的產(chǎn)生平面聲波，可提高聲速測量精度；電源開關(guān)34用于控制外部電源對整個儀器的供電；音頻信號輸入端35用于接入音頻信號；管內(nèi)音頻信號檢測輸出端36用于將聲速測量管內(nèi)空氣振動情況用電信號輸出，與示波器連接后可觀察管內(nèi)空氣振動波形，主要用于觀察管內(nèi)空氣是否處于最佳的駐波狀態(tài)，在調(diào)節(jié)輸入音頻信號頻率時，當(dāng)管內(nèi)音頻信號檢測輸出端36輸出信號很強(qiáng)，說明最佳的駐波狀態(tài)形成；

聲速測量管1內(nèi)空氣柱長度為已知定長，管內(nèi)壁設(shè)有聲控發(fā)光單元陣列2，其用于顯示聲速測量管內(nèi)空氣駐波的波長個數(shù)，從而知道駐波波長(波長＝聲速測量管空氣柱長度/波長個數(shù))；

聲控發(fā)光單元陣列2將聲速測量管1內(nèi)的聲音駐波狀態(tài)的聲音信號，轉(zhuǎn)換為光信號，用發(fā)光雙色LED直觀顯示出來，便于讀取聲速測量管內(nèi)部駐波波長個數(shù)；雙色LED，采用紅、翠綠雙色，觀察效果較好，使用時LED顯示翠綠色表示空氣處于舒張狀態(tài)，LED顯示紅色表示空氣處于壓縮狀態(tài)。

電源端蓋3用于將外接已知頻率的音頻信號轉(zhuǎn)換為聲音，并將電源連接到聲控發(fā)光單元陣列2的電路基板21上；

反射端蓋4用于將電源端蓋3發(fā)出的聲音反射回來，使得聲音在聲速測量管內(nèi)部來回震蕩形成駐波；反射端蓋4為硬質(zhì)材料，本儀器中為了美觀采用亞克力，參見圖6；

一種空氣比熱容比的測量方法，利用聲速與溫度之間的關(guān)系其中V為聲音速度，γ為比熱容比，R摩爾氣體常數(shù)，M氣體的摩爾質(zhì)量，T為熱力學(xué)溫度；通過測量不同溫度T的聲速V，便可擬合得出比熱容比γ。

所述聲控發(fā)光單元陣列2，位于聲速測量管1內(nèi)測，用于將聲速測量管1內(nèi)聲音強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)分布，從而讀出管內(nèi)波長個數(shù)，從而知道駐波波長；

所述電源端蓋3，用于將外接已知頻率的音頻信號轉(zhuǎn)換為聲音，并將電源連接到聲控發(fā)光單元陣列2的電路基板上；

所述反射端蓋4，用于將電源端蓋3發(fā)出的聲音反射回來，使得聲音在聲速測量管1內(nèi)部來回震蕩形成駐波；

利用波長和頻率計算對應(yīng)溫度的聲音速度，根據(jù)即其中R和M為已知常數(shù)，通過測量溫度T對應(yīng)的聲速V，可以非常準(zhǔn)確的得出比熱容比γ；

上述技術(shù)方案根據(jù)提供測量空氣的比熱容比的新方法，且和已有的聲速測量教學(xué)實驗儀器相比，聲速測量精度高，可測量不同溫度下的聲音速度，進(jìn)一步豐富實驗教學(xué)內(nèi)容。

在已知R、M，以及聲速測量管內(nèi)空氣柱長度L的前提下，實驗測量中調(diào)節(jié)外接音頻信號的頻率，當(dāng)在示波器上看到輸出信號幅度達(dá)到最大，表明聲速測量管內(nèi)空氣振動處于駐波狀態(tài)，此時記下音頻信號頻率f；從聲控發(fā)光單元陣列上發(fā)光二極管顏色交替情況，數(shù)出聲速測量管內(nèi)空氣駐波波長個數(shù)n；波長λ＝L/n，聲速

以上公開的本發(fā)明優(yōu)選實施例只是用于幫助闡述本發(fā)明。優(yōu)選實施例并沒有詳盡敘述所有的細(xì)節(jié)，也不限制該發(fā)明僅為所述的具體實施方式。顯然，根據(jù)本說明書的內(nèi)容，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實際應(yīng)用，從而使所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員能很好地理解和利用本發(fā)明。本發(fā)明僅受權(quán)利要求書及其全部范圍和等效物的限制。