單端密封水平圓筒內(nèi)活塞振動測空氣比熱容比的方法
【專利摘要】單端密封水平圓筒內(nèi)活塞振動測空氣比熱容比的方法，一個透明圓筒，一端密封，另一端套一個網(wǎng)格帽，網(wǎng)格帽有一個中心圓孔；圓筒外表面有一個毫米刻度尺和一個水平泡；圓筒內(nèi)部有一個活塞、其兩側(cè)各固定一個半球；活塞外側(cè)的半球的外表面中心連接拉桿的一端，拉桿的另一端插入到網(wǎng)格帽的中心圓孔；打開圓筒的密封帽，推動拉桿將活塞推入到圓筒內(nèi)部某一位置，然后旋緊密封帽將圓筒的一端密封，將圓筒水平固定在在水平支撐架上，向外拉動拉桿，當放開拉桿的時候，活塞在密封空氣的彈性作用下發(fā)生振動，空氣比熱容比γ為γ=4πmh/( r 2T2P)。有益效果是：密封空氣具有良好的彈性；實驗原理更嚴謹；是一個嚴格的簡諧振動；不會出現(xiàn)現(xiàn)有技術的轉(zhuǎn)動現(xiàn)象；本發(fā)明不需要打氣裝置，結(jié)構(gòu)更簡單，成本更低廉。
【專利說明】單端密封水平圓筒內(nèi)活塞振動測空氣比熱容比的方法

【技術領域】
[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】
[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，往復進行，實現(xiàn)振動。
[0004]現(xiàn)有技術存在的問題，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)有技術存在的問題，本發(fā)明設計單端密封水平圓筒內(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)明目的采用的技術方案是:單端密封水平圓筒內(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，圓筒的一端通過螺紋、密封墊圈與密封帽實現(xiàn)密封連接，圓筒的另一端套一個網(wǎng)格帽，網(wǎng)格帽是由一個網(wǎng)格平板和一個橡膠圓筒組成，網(wǎng)格平板的有一個中心圓孔和邊緣圓孔，中心圓孔和邊緣圓孔之間通過長條形的固體件連接，邊緣圓孔連接橡膠圓筒，橡膠圓筒利用橡膠的彈性套在圓筒的外側(cè)；圓筒的外表面沿長度方向有一個毫米刻度尺，其O刻度線位于圓筒密封端的端口平面處；圓筒的表面有一個水平泡；在活塞的兩側(cè)對稱地各固定一個半球，活塞兩側(cè)的半球質(zhì)量相等、材質(zhì)相同、形狀相同；活塞的一側(cè)的半球的外表面中心連接拉桿的一端,拉桿能夠繞著連接點旋轉(zhuǎn)，拉桿的另一端插入到網(wǎng)格帽的中心圓孔；打開圓筒的密封帽，推動拉桿將活塞推入到圓筒內(nèi)部某一位置，然后，旋緊密封帽將圓筒的一端密封，密封帽的內(nèi)側(cè)凹陷，凹陷為一個半球形狀，凹陷的體積與半球體積相等；將圓筒固定在在水平支撐架上，水平支撐架有三個調(diào)節(jié)腳，通過調(diào)節(jié)水平支撐架的調(diào)節(jié)腳、觀察水平泡使圓筒達到水平狀態(tài)；圓筒的內(nèi)部半徑為r，在活塞處于靜止狀態(tài)，活塞位于密封空氣一側(cè)的端面和密封帽之間密封的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，則密封空氣的體積V= π *r2*h ；向外拉動拉桿，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，當放開拉桿的時候，活塞在密封空氣的彈性作用下發(fā)生振動，也能夠采用向內(nèi)側(cè)推動拉桿對空氣進行壓縮的方式來促使產(chǎn)生振動；則空氣比熱容比Y為Y=4Jimh/( r2T2P),其中圓周率π=3.14159，m為活塞、兩個半球以及拉桿的質(zhì)量之和，h為活塞處于平衡位置、密封空氣的長度，r為圓筒的內(nèi)部半徑，T為振動周期，P為外界大氣壓值。
[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)有技術的氣孔漏氣，不是一個嚴格的簡諧振動，本發(fā)明沒有氣孔，是一個嚴格的簡諧振動；現(xiàn)有技術由于原理的不完善、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)有技術的轉(zhuǎn)動現(xiàn)象；半球的一個作用是調(diào)節(jié)振動的周期，使周期稍長、便于觀察，活塞兩側(cè)各固定一個半球的目的是對稱性考慮；相對于現(xiàn)有技術，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)有技術的裝置示意圖；圖2是一種單端密封水平放置的圓筒內(nèi)活塞振動測空氣比熱容比裝置的縱剖示意圖。
[0009]其中，1、密封帽；2、圓筒；3、光電門，4、水平泡；5、半球；6、活塞；7、拉桿；8、網(wǎng)格帽。

【具體實施方式】
[0010]一個圓筒2，由硬質(zhì)透明材料制作而成，硬質(zhì)透明材料為透明玻璃、透明硬質(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2的一端通過螺紋、密封墊圈與密封帽I連接，螺紋和密封墊圈實現(xiàn)密封連接是一種現(xiàn)有技術，不在此贅述；圓筒2的另一端套一個網(wǎng)格帽8，網(wǎng)格帽8是由一個網(wǎng)格平板和一個橡膠圓筒組成，網(wǎng)格平板的有一個中心圓孔和邊緣圓孔，兩個圓孔之間通過長條形的固體件連接，邊緣圓孔連接橡膠圓筒，橡膠圓筒利用橡筋的彈性套在圓筒2的另一端。圓筒2的外表面沿長度方向有一個毫米刻度尺。
[0011]圓筒2的長度方向的外表面有一個水平泡4，用于指示圓筒是否處于水平狀態(tài)，由于圓筒2為圓形，水平泡4主要觀察水平泡4內(nèi)氣泡的形狀相對于圓筒2的長度方向是否對稱，即可以判斷是否水平，不必考慮垂直于圓筒長度方向的水平泡4內(nèi)氣泡的對稱性。。
[0012]從運動慣性，也就是從動能相對于活塞6與管壁的摩擦考慮(能夠采用現(xiàn)有技術在活塞涂抹潤滑油的方式減少摩擦)，在活塞6的兩側(cè)對稱地各布置一個半球5，活塞6兩側(cè)的半球5，質(zhì)量相等、材質(zhì)相同、形狀相同，建議通過通孔、螺桿、螺帽和密封墊連接活塞6和兩側(cè)的半球5，由于固定和密封活塞兩側(cè)的半球有很多的技術能夠?qū)崿F(xiàn)，因此其固定方式和密封方式可以認為是現(xiàn)有技術(不在本圖詳細描繪，也不在本實施方式詳細討論)。
[0013]活塞6的一側(cè)的半球5的外表面中心連接拉桿7的一端，拉桿7能夠繞著連接點旋轉(zhuǎn)，固定并能夠旋轉(zhuǎn)這在現(xiàn)有技術中能夠?qū)崿F(xiàn)，比如拉桿的一端彎折90度、然后彎折部分變形成扁平、扁平部分做一個圓形通孔(現(xiàn)有技術也有扁平三角形內(nèi)的一個頂點連接拉桿、頂點對應的對邊有一個圓形通孔)、通過一個圓形圓孔套入一個螺帽、螺帽的螺桿旋入到半球一定深度固定；拉桿7的另一端(活動端)插入到網(wǎng)格帽8的中心圓孔，網(wǎng)格帽8套在圓筒2的一端。
[0014]打開圓筒2的密封帽1，推動拉桿7將活塞6推入到圓筒2內(nèi)部某一位置(該位置具有任意性，由實驗人員隨意設置，理論上任何位置都可行，當然，實際上的效果會有差異，實驗人員可以重新選擇位置來達到實驗人員的意愿)，然后，旋緊密封帽I將圓筒2的一端密封，密封帽I的內(nèi)側(cè)凹陷，凹陷為一個半球形狀，凹陷的大小與半球5相等，主要目的是方便計算其密封氣體的體積。
[0015]將圓筒2固定在在水平支撐架上，水平支撐架有三個調(diào)節(jié)腳，通過調(diào)節(jié)水平支撐架的調(diào)節(jié)腳、觀察水平泡4使圓筒2達到水平狀態(tài)；有三個調(diào)節(jié)腳的水平支撐架是一種現(xiàn)有技術，不在此處贅述。
[0016]圓筒2的內(nèi)部半徑為r，在活塞6處于靜止狀態(tài)(或稱平衡狀態(tài))，活塞6位于密封空氣一側(cè)的端面和密封帽I之間密封的空氣的長度能夠通過圓筒2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，則密封空氣的體積V= *r2*h。由于半球5所占的空間已經(jīng)通過密封帽I的凹陷實現(xiàn)了補償，因此，h大小為活塞6處于密封空氣的端面到密封蓋I所在位置的圓筒2的端口距離，由于圓筒2端口被密封蓋I遮住部分，因此，圓筒2外表面的毫米刻度尺的起點O為圓筒2在密封帽I端的端口位置，因此活塞6位于密封空氣端的端面所在的毫米刻度尺的讀數(shù)就是h的大小。
[0017]向外拉動拉桿7，隨著活塞的移動，密封空氣的壓強逐漸減少，與外界的壓強差增力口，當放開拉桿7的時候，活塞6在密封空氣的彈性作用下將會發(fā)生振動。(也能夠采用向內(nèi)側(cè)推動拉桿7，對空氣進行壓縮的方式來促使產(chǎn)生振動)
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 ；
當空氣的壓強變化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
該作用力作用于活塞6 (活塞6、兩個半球5以及拉桿7的質(zhì)量之和記為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= Ji 氺 r2氺dP=m dx2/dt2V= Ji 氺 r2 氺hdV= τι 氺 Γ2 氺X
Ji 氺 r2*dP=- η * r 2* (P* Y )氺x/h=m dx2/dt2
所以
dx2/dt2+[ η * r 2*P* y / (m h)]*x =0
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 ;m為活塞6、兩個半球5以及拉桿7的質(zhì)量之和；h為活塞處于平衡位置、密封空氣的長度，即活塞6位于密封空氣端的端面到密封帽I所在圓筒2的端面的距離；r為圓筒2的內(nèi)部半徑；T為振動周期，為待測量，通過光電門3測量，光電門3的發(fā)光二極管、接收二極管的連線過圓筒2橫截面(為圓形)的圓心；P為外界壓強，為待測量，從氣壓表測量空氣的大氣壓值P。
[0018]粗略估計，I個平方厘米的平面所受的大氣壓力為I公斤力，如果采用手動的方式拉動拉桿，則在實驗室，裝置合理的用力在3-5公斤力比較合理，相對于平衡位置，最大行程變化Xmax (手動拉動活塞離開靜止位置的位移量)的大小建議在5-10厘米，則可以合適的選擇 r、Xmax> h,使 * r 2*P*xmax/h 在 3-5 公斤力。
【權利要求】
1.單端密封水平圓筒內(nèi)活塞振動測空氣比熱容比的方法，其特征是:一個圓筒(2),由硬質(zhì)透明材料制作而成，圓筒(2)的一端通過螺紋、密封墊圈與密封帽(1)實現(xiàn)密封連接，圓筒(2)的另一端套一個網(wǎng)格帽(8),網(wǎng)格帽(8)是由一個網(wǎng)格平板和一個橡膠圓筒組成，網(wǎng)格平板的有一個中心圓孔和邊緣圓孔，中心圓孔和邊緣圓孔之間通過長條形的固體件連接，邊緣圓孔連接橡膠圓筒，橡膠圓筒利用橡膠的彈性套在圓筒(2)的外側(cè)；圓筒(2)的外表面沿長度方向有一個毫米刻度尺，其0刻度線位于圓筒(2)密封端的端口平面處；圓筒(2)的表面有一個水平泡(4):在活塞(6)的兩側(cè)對稱地各固定一個半球(5),活塞(6)兩側(cè)的半球(5 )質(zhì)量相等、材質(zhì)相同、形狀相同；活塞(6 )的一側(cè)的半球(5 )的外表面中心連接拉桿(7)的一端，拉桿(7)能夠繞著連接點旋轉(zhuǎn)，拉桿(7)的另一端插入到網(wǎng)格帽(8)的中心圓孔；打開圓筒(2)的密封帽(1),推動拉桿(7)將活塞(6)推入到圓筒(2)內(nèi)部某一位置，然后，旋緊密封帽(1)將圓筒(2)的一端密封，密封帽(1)的內(nèi)側(cè)凹陷，凹陷為一個半球形狀，凹陷的體積與半球(5)體積相等；將圓筒(2)固定在在水平支撐架上，水平支撐架有三個調(diào)節(jié)腳，通過調(diào)節(jié)水平支撐架的調(diào)節(jié)腳、觀察水平泡(4)使圓筒(2)達到水平狀態(tài)；圓筒(2 )的內(nèi)部半徑為在活塞(6 )處于靜止狀態(tài)，活塞(6 )位于密封空氣一側(cè)的端面和密封帽(1)之間密封的空氣的長度能夠通過圓筒(2 )外側(cè)的毫米刻度尺的刻度讀出，其密封空氣的長度記為匕則密封空氣的體積V: X打2#!；向外拉動拉桿(7),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，當放開拉桿(7)的時候，活塞(6)在密封空氣的彈性作用下發(fā)生振動，也能夠采用向內(nèi)側(cè)推動拉桿(7)對空氣進行壓縮的方式來促使產(chǎn)生振動；則空氣比熱容比V為7=4 II 11^/( ^2?2?)，其中圓周率^1=3.14159，?。?！為活塞“)、兩個半球(5)以及拉桿(7)的質(zhì)量之和，11為活塞處于平衡位置、密封空氣的長度，1-為圓筒(2)的內(nèi)部半徑，X為振動周期，？為外界大氣壓值。
【文檔編號】G01N7/00GK104483233SQ201410517081
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年9月30日 優(yōu)先權日: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