一種小球振動測量空氣比熱容比的方法
【專利摘要】一種小球振動測量空氣比熱容比的方法，一個由彈性橡膠構(gòu)成的空心圓柱體，其上端面和下端面的橡膠內(nèi)部各密封有一個硬質(zhì)圓形面板，其側(cè)面的橡膠中密封有螺旋狀的彈簧金屬絲；空心圓柱體內(nèi)部、上端面和下端面的半徑都為R，空心圓柱體內(nèi)部的高度為h；在空心圓柱體外側(cè)的上端面上固定一個金屬球體；通過上端面面板上的金屬球體，拉伸或者壓縮上端的面板，促使上端面面板以及附著的金屬球體一起振動，上端面面板以及附著的金屬球體的質(zhì)量之和為m，測量其振動周期T和大氣壓強的數(shù)值P，則空氣的比熱容比γ=4πmh/(R2T2P)。有益效果是：密封空氣具備彈性具有良好的彈性；實驗原理更嚴謹；是一個嚴格的簡諧振動；不需要打氣裝置，結(jié)構(gòu)更簡單，成本更低廉。
【專利說明】一種小球振動測量空氣比熱容比的方法

【技術(shù)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(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⒉粫l(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)明設計一種新型的小球振動測量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:一種小球振動測量空氣比熱容比的方法，其特征是:一個由彈性橡膠構(gòu)成的空心圓柱體，其上端面和下端面的橡膠內(nèi)部各密封有一個硬質(zhì)圓形面板，其側(cè)面的橡膠中密封有螺旋狀的彈簧金屬絲；空心圓柱體內(nèi)部、上端面和下端面的半徑都為R，空心圓柱體內(nèi)部的高度為h ;在空心圓柱體外側(cè)的上端面上固定一個金屬球體；通過上端面面板上的金屬球體，拉伸或者壓縮上端的面板，促使上端面面板以及附著的金屬球體一起振動，上端面面板以及附著的金屬球體的質(zhì)量之和為m，測量其振動周期T和大氣壓強的數(shù)值P，則空氣的比熱容比Y =4 mh/(R2T2P) = 4*3.14159*mh/(R2T2P)。
[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)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)明在振動的過程中氣體處于密封狀態(tài)，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；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)的裝置不意圖；圖2是有彈性的空心圓柱體；圖3是上端面固定一個球體的有彈性的空心圓柱體。

【具體實施方式】
[0009]一個由彈性橡膠構(gòu)成的空心圓柱體，其上端面和下端面的橡膠內(nèi)部各密封有一個硬質(zhì)圓形面板，其側(cè)面的橡膠中密封有螺旋狀的彈簧金屬絲；空心圓柱體內(nèi)部、上端面和下端面內(nèi)側(cè)的半徑都為R，空心圓柱體內(nèi)部的高度為h ;上端面和下端面的硬質(zhì)面板以及側(cè)面的彈性金屬絲的目的是在其內(nèi)部壓強變化的時候能夠維持其圓柱體的形狀。在空心圓柱體外側(cè)的上端面上固定一個金屬球體，金屬球體的質(zhì)量比較重，目的在于能夠忽略圓柱體側(cè)面的質(zhì)量。
[0010]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 ；
當拉伸或者壓縮上端的面板(上端面面板的面積記為S)，導致其內(nèi)部壓強變化量dP，壓強變化產(chǎn)生的該作用力F為:
F=S*dP= τι *R2*dP
該作用力作用于上端面面板以及其上端面的金屬球(上端面面板以及其上端面的金屬球的質(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定義為運動時的位置相對于靜止時的平衡位置的位移，則F= Ti *R2*dP=m dx2/dt2V= Ji *R2*hdV= n *R2*x
n *R2*dP=_ n *R2* (P* y ) *x/h=m dx2/dt2
所以
dx2/dt2+[ π *R2*P* Y / (m h)]*x =O
上面是一個簡諧振動方程，其圓頻率ω為:
ω =2 f=2 /Τ=[ π *R2*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 31 mh/ (R2T2P)
上式中，圓周率π=3.14159 ;m為空心圓柱體上端面(包含橡膠和其內(nèi)部面板)和上端面金屬球的質(zhì)量之和，當金屬球的質(zhì)量遠遠大于上端面的質(zhì)量，則m簡化為金屬球的質(zhì)量，上端面的質(zhì)量為廠家設計制作時能夠確定的參數(shù)，可以作為已知量；h為平衡位置的空心圓柱體的內(nèi)部高度，即靜態(tài)(沒有振動)時、空心圓柱體外側(cè)的高度減去上下端面的厚度，上端面和下端面的厚度是一個確定的量(在制作成型時決定其大小)，可以作為一個已知量；R為空心圓柱體的內(nèi)部半徑，由制作成型時決定，可以作為一個已知量，等于外部半徑減去側(cè)面厚度，側(cè)面厚度為一個已知量(由生產(chǎn)廠家設計時決定的參數(shù))，當厚度比較薄能夠忽略時時，以外部半徑代替內(nèi)不半徑；T為振動周期，為待測量；Ρ為外界大氣壓壓強值，通過氣壓表測量。
【權(quán)利要求】
1.一種小球振動測量空氣比熱容比的方法，其特征是:一個由彈性橡膠構(gòu)成的空心圓柱體，其上端面和下端面的橡膠內(nèi)部各密封有一個硬質(zhì)圓形面板，其側(cè)面的橡膠中密封有螺旋狀的彈簧金屬絲；空心圓柱體內(nèi)部、上端面和下端面的半徑都為R，空心圓柱體內(nèi)部的高度為h ;在空心圓柱體外側(cè)的上端面上固定一個金屬球體；通過上端面面板上的金屬球體，拉伸或者壓縮上端的面板，促使上端面面板以及附著的金屬球體一起振動，上端面面板以及附著的金屬球體的質(zhì)量之和為m，測量其振動周期T和大氣壓強的數(shù)值P，則空氣的比熱容比 Y =4 31 mh/ (R2T2P) = 4*3.14159*mh/ (R2T2P)。
【文檔編號】G01N25/20GK104237303SQ201410517243
【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