CN104297289B - 振动法测量空气比热容比的改进型装置 - Google Patents

Abstract

振动法测量空气比热容比的改进型装置涉及物理常数的测量，为克服现有技术存在的问题，技术方案是：一种振动法测量空气比热容比的改进型装置，包括玻璃管和振动物体，振动物体表面与对应位置的玻璃管的距离能够达到0.01‑0.02mm，玻璃管的侧面有小孔，其特征是：振动物体由钢球改进为圆柱体，圆柱体侧面上对称分布2根或2根以上的凸棱，所有凸棱的轴线都平行于圆柱体的中心轴线；在玻璃管上有凹槽，凹槽的条数等于圆柱体侧面的凸棱的条数，圆柱体只能通过凸棱嵌入玻璃管凹槽内上下滑动。小孔为多圈、多列。有益效果是：圆柱体避免了竖直方向的转动；圆柱体的凸棱与玻璃管的凹槽相配合，避免水平面内的转动；圆柱和玻璃管之间的缝隙比较长，流动空气更接近为层流，减少钢球与玻璃管壁的碰撞。

Description

振动法测量空气比热容比的改进型装置

技术领域

本发明涉及物理常数的测量，特别是提供一种采用振动法测量空气比热容比的装置。

背景技术

振动法测量空气比热容比是一种常用的比热容比测量方法，在物理实验室采用的测量方法，实验原理详见“振动法测气体比热容比实验方法的改进，台州学院学报，2010年12月第32卷第6期，第39-42页”的“2实验”，以及“振动法空气比热容比测定实验原理分析，实验室科学，2013年6月第16卷第3期，第35-37”的“1.1原实验原理”。

现有技术采用的原理，详见图1，气体注入口连续稳定地注入气体，气体的压强增加推动与气体容器连接的竖直玻璃管中的钢球A向上移动，钢球A与玻璃管B的管壁之间有0.01-0.02mm的缝隙（该缝隙为一个理论值，指竖直玻璃管的内径比钢球A的直径大0.02-0.04mm），当钢球A上升到小孔的上端，部分气体从小孔流出，钢球A所受气体的压强减小，钢球A受到的气体的推力减小，钢球A的动能逐渐减弱，在到达高点后，受重力作用，钢球A下落，重力势能转化为动能，在钢球A下落到小孔下面，钢球A下端的气体压强大于钢球A上端的气体压强，受到的气体的推力作用，动能逐渐减弱，当动能为零后，钢球A在球体上下端所受到的气体压强差产生的推力作用，钢球A再次向上运动，往复进行，实现振动。

现有技术存在的问题，在前面提及的两篇文献也有提及：

（1）小孔不是振动的空间对称中心，也不是振动的时间对称中心，不具备简谐振动的数学形式；钢球A一般在小孔上方运动的路程短于小孔下方运动的路程，钢球A一般在小孔上方运动的时间小于小孔下方运动的时间，钢球A的运动实际上受到钢球A与管壁的缝隙大小、充气速度以及小孔的大小控制；

（2）小孔上方和下方受力的非对等性，不具备简谐振动的力学条件：钢球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气体的推力大、上端（气体从小孔泄漏）所受的推力小，钢球A运动所处的气流环境是突变的，两篇文献均对其原理持怀疑态度；如果，没有小孔的存在，钢球A受到压强差产生的推力作用，钢球A将一直上升、不会发生振动，虽然，在文献“振动法测气体比热容比实验方法的改进”，提出在小孔下方寻找到钢球A的平衡位置，然后产生一个振幅1cm左右的振动，由于缺少外力的作用，仅仅通过气流的调节，很难实现，原因在于气流小则钢球A下降，气流大则钢球A上升，气流合适则钢球A稳定，那么钢球A稳定后，必须加大气流才能促使其上升，上升一定距离后，必须立即回到前面提及的合适气流，使压强差产生的推力与重力相等，这个步骤难以实现；

（3）钢球A在运动过程中会出现转动和与管壁发生碰撞：在钢球A悬停或者小幅度振动时，更容易观察。文献“振动法测气体比热容比实验方法的改进”也发现了转动（文献中称为自旋）和碰撞现象，钢球A在振动过程中我们发现其反射光出现变化，然后，我们用红色记号笔在钢球A的表面画一个十字，发现钢球A的十字在振动过程中出现转动，而且不同仪器、不同的时间其转动方向也在发生变化，这个结果呈现给我们的是管壁或者/和钢球A的表面不是均匀的，以及小孔处气流的非对称流动，导致钢球A不对称受力出现转动，我们也发现，其转动的频率在不同仪器和不同时间也表现出差异，换句话说，钢球A不处于层流环境，而是有一定的湍流，其转动动能将影响测量的精度，而且，由于转动的不确定性，也无法定量予以修正。

发明内容

为克服现有技术存在的问题，本发明设计一种新型的振动法测量空气比热容比的改进型装置。

本发明实现发明目的采用的技术方案是：一种振动法测量空气比热容比的改进型装置，包括玻璃管和振动物体，振动物体表面与对应位置的玻璃管的距离能够达到0.01-0.02mm，玻璃管的侧面有小孔，其特征是：振动物体由钢球改进为圆柱体，圆柱体侧面上对称分布2根或2根以上的凸棱，所有凸棱的轴线都平行于圆柱体的中心轴线；在玻璃管上有凹槽，凹槽的条数等于圆柱体侧面的凸棱的条数，凸棱外侧所在的圆周的直径大于玻璃管的内侧直径（内径），圆柱体只能通过凸棱嵌入玻璃管的凹槽内实现上下滑动（不会在水平面内转动）。

小孔为多圈、多列，每一圈的多个小孔位于一个圆周（该圆周所在平面垂直于玻璃管的轴线，如果是两个小孔，则两个小孔的中心轴线重合并与玻璃管的中心轴线垂直相交）上、相对于圆周的圆心等角度分布；每个小孔位于两条凹槽之间的中间。小孔的个数在10-500个。

本发明所带来的有益效果是：圆柱体替换现有技术的钢球，避免了竖直方向的转动；圆柱体表面有凸棱，凸棱与玻璃管的凹槽相配合，避免水平面内的转动；圆柱和玻璃管之间的缝隙比较长，流动空气更接近为层流，减少湍流的影响，从而减少钢球与玻璃管壁的碰撞；由一个气孔改进为多个气孔，有利于气流的对称性和均匀性，减少气流不对称导致振动物体与玻璃管的碰撞。

附图说明

图1是现有技术的装置示意图；图2是圆柱体示意图；图3是玻璃管示意图。

其中，1、圆柱体；2、凸棱，3、玻璃管，4、小孔，5、凹槽。

具体实施方式

与现有技术相同点在于装置的部件相同，都包含振动物体、玻璃管3，玻璃管3的侧面有一个小孔4。

将现有技术的钢球替换为一个圆柱体1，圆柱体1侧面对称分布2条或者2条以上的凸棱2，所有凸棱2的轴线相互平行，并平行于圆柱体1的中心轴线，优选2-8条凸棱2，受到圆柱体1的阻挡，以及圆柱体1与玻璃管3之间的距离比较小，这样的结构能有效避免圆柱体1上下方向的翻转。

进一步，在玻璃管3上设置凹槽5，凹槽5的条数与圆柱体1侧面的凸棱2的条数对应，即凹槽5的条数等于圆柱体1侧面的凸棱2的条数，圆柱体1的凸棱2沿着玻璃管3的凹槽5上下滑动，由于凹槽5在玻璃管内侧为凹槽5，从玻璃管3外侧看，凹槽5为凸棱，由于凸棱2最外侧轮廓线（平行于圆柱体1和凸棱2的轴线方向）形成的圆柱形轮廓的半径大于玻璃管3内侧的半径（内径），则圆柱体1不能在水平方向旋转，也就是，圆柱体1受到凸棱2的影响，圆柱体1只能通过凸棱2套入在玻璃管3的凹槽5内，凸棱2与凹槽5匹配，确保圆柱体1只能沿着凹槽5实现上下方向的滑动（平动），而不能在水平面内转动。

为便于圆柱体1的运动，当圆柱体1的中心轴线与玻璃管3的中心轴线重合时，圆柱体1以及圆柱体1表面的凸棱2与玻璃管3以及玻璃管3凹槽5的距离都在0.01-0.02mm（与现有技术相同），换句话说，圆柱体1表面（包括凸棱2的表面）能够与玻璃管3表面（包括凹槽5表面）保持0.01-0.02mm的距离、无接触地上下移动（平动）。

为了减少单个小孔4漏气带来的气流的不对称，气流不对称会加重钢球产生转动的几率，本发明的圆柱体虽然不会出现转动，但气流不对称会导致圆柱体与玻璃管管壁发生碰撞，本发明将小孔4进行改进：小孔4从现有技术的一个改进为多圈、多列的小孔4，在每一圈的多个小孔4位于一个圆周上、对称（相对于圆周的圆心等角度）分布，现有技术的小孔的直径在1-2mm，本发明的小孔的直径为0.1-0.2mm，小孔4位于两条凹槽之间的中间（一条线段垂直于两条紧邻凹槽的紧邻边缘线，该线段的中心为小孔的圆心），小孔4的个数在10-500个。

Claims (3)

1.一种振动法测量空气比热容比的改进型装置，包括玻璃管（3）和振动物体，振动物体表面与对应位置的玻璃管（3）的距离能够达到0.01-0.02mm，玻璃管（3）的侧面有小孔（4），其特征是：振动物体由钢球改进为圆柱体（1），圆柱体（1）侧面上对称分布2根或2根以上的凸棱（2），所有凸棱（2）的轴线都平行于圆柱体（1）的中心轴线；在玻璃管（3）上有凹槽（5），凹槽（5）的条数等于圆柱体（1）侧面的凸棱（2）的条数，圆柱体（1）只能通过凸棱（2）嵌入玻璃管（3）的凹槽（5）实现上下滑动。

2.根据权利要求1所述的一种振动法测量空气比热容比的改进型装置，其特征是：小孔（4）为多圈、多列，每一圈的多个小孔（4）位于一个圆周上、相对于圆周的圆心等角度分布；每个小孔（4）位于两条凹槽之间的中间。

3.根据权利要求1所述的一种振动法测量空气比热容比的改进型装置，其特征是：小孔（4）的个数在10-500个。