兩端密封圓筒內(nèi)活塞振動測空氣比熱容比的方法
【專利摘要】兩端密封圓筒內(nèi)活塞振動測空氣比熱容比的方法，一根透明的圓筒，兩端能夠密封，圓筒外側(cè)的中心位置有兩條圓筒中心圈，外側(cè)有一個水平泡，使水平泡朝上將圓筒水平固定在一個支架上；旋開圓筒兩端的密封帽，從圓筒的一端塞入活塞體，活塞體有不銹鋼連桿，使活塞體的中心與圓筒的中心重合，然后旋緊兩端的密封帽，通過電磁鐵使活塞體移動一段距離、然后關(guān)閉電磁鐵的電源，則活塞體在密封空氣的彈性下將發(fā)生振動，空氣比熱容比γ為γ=2πmL/(r2T2P)，其中，圓周率π=3.14159；m為活塞體的質(zhì)量，L為單側(cè)密封空氣的長度，r為圓筒的內(nèi)部的半徑，T為振動周期，P為外界壓強。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；活塞體不會出現(xiàn)轉(zhuǎn)動現(xiàn)象；不需要打氣裝置，結(jié)構(gòu)更簡單，成本更低廉。
【專利說明】兩端密封圓筒內(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，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(fù)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(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(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)計一種兩端密封圓筒內(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:兩端密封圓筒內(nèi)活塞振動測空氣比熱容比的方法，其特征是:一根由透明硬質(zhì)材料制作成的圓筒的兩端都有外螺紋，能夠通過圓筒的外螺紋與密封帽的內(nèi)螺紋在圓筒的兩端借助密封墊實現(xiàn)對圓筒內(nèi)部的空氣進行密封；圓筒外側(cè)的中心位置有兩條圓筒中心圈，兩條圓筒中心圈的中心為圓筒的對稱中心，圓筒外側(cè)有一個水平泡，使水平泡朝上將圓筒固定在一個支架上，通過調(diào)節(jié)支架的調(diào)節(jié)腳，使圓筒處于水平狀態(tài)；旋開圓筒兩端的密封帽，從圓筒的一端塞入活塞體，活塞體由兩端的活塞和連接兩個活塞的不銹鋼連桿組成，不銹鋼連桿為能夠被磁場吸引的物質(zhì)組成，在活塞涂抹潤滑；不銹鋼連桿的中心有一個連桿中心線,連桿中心線指示活塞體的對稱中心,通過細桿推送活塞體，使連桿中心線位于圓筒的兩條圓筒中心圈的中間，也就是使活塞體的中心與圓筒的中心重合，然后旋緊兩端的密封帽，接下來打開圓筒外側(cè)的電磁鐵的電源，則不銹鋼連桿受到電磁場的作用，沿著平行于圓筒長度方向緩慢移動電磁鐵，則不銹鋼連桿也隨著移動，活塞體兩側(cè)的氣體，一側(cè)受到壓縮、一側(cè)受到拉伸，即一側(cè)壓強增加dP、一側(cè)的壓強減少dP，此時關(guān)閉電磁鐵的電源，則活塞體將會發(fā)生振動；空氣比熱容比Y為Y=2Jim L /(r 2T2P),當活塞體的長度能夠忽略時，S卩LI? L2時，L=Ll/2，則Y = Jim L1 /( r 2T2P),其中，圓周率π =3.14159 ;m為活塞體的質(zhì)量，L為活塞位于密封氣體一側(cè)的端面到最近一側(cè)圓筒端面的距離，L1為圓筒的長度，r為空心圓筒的內(nèi)部的半徑，T為振動周期，P為外界壓強。
[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)明的氣孔的作用是減少推動活塞的力量，在振動的過程處于密封狀態(tài)，也就相對于不存在，因此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；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；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是兩端密封中間被活塞隔開的圓筒示意圖；圖3起振裝置不意圖。
[0009]其中，1、密封帽，2、圓筒，3、活塞，4、不銹鋼連桿，5、連桿中心線，6、圓筒中心圈，7、
水平泡,8、電磁鐵。

【具體實施方式】
[0010]一根由透明硬質(zhì)材料(硬質(zhì)透明材料為玻璃、硬質(zhì)塑料等能夠耐壓、壓強導(dǎo)致的形變比較小、能夠忽略的材料)制作成的圓筒2的兩端都有外螺紋，能夠通過圓筒2的外螺紋與密封帽I的內(nèi)螺紋在圓筒2的兩端實現(xiàn)對圓筒內(nèi)部的空氣進行密封(使用密封墊)，該密封為現(xiàn)有技術(shù)，可以是常見的螺帽(相當于本裝置的密封帽)、螺紋、密封墊，或者其它密封方式；圓筒2外側(cè)的中心位置有兩條圓筒中心圈6，兩條圓筒中心圈6的中心為圓筒2的對稱中心，換句話說，對稱中心到圓筒2兩端端面的距離相等，圓筒2外表面有一個水平泡7，將圓筒2固定在一個支架上(為了觀察的方便，使水平泡朝上)，通過調(diào)節(jié)支架的調(diào)節(jié)腳，觀察水平泡、使圓筒2處于水平狀態(tài)，調(diào)節(jié)一個裝置的水平是一種現(xiàn)有技術(shù)，在本發(fā)明中，由于水平泡7位于圓筒的外表面，觀察水平主要關(guān)注的是水平泡7沿著圓筒2的長度方向是否處于對稱狀態(tài)，也就是水平泡7的氣泡沿圓筒的長度方向處于中心位置(不需要關(guān)注垂直于圓筒2長度方向的氣泡狀態(tài))。
[0011]旋開圓筒2兩端的密封帽1，從圓筒2的一端塞入活塞體，活塞體由兩端的活塞3和連接兩個活塞的不銹鋼連桿4組成，不銹鋼連桿4為能夠被磁場吸引的物質(zhì)組成，不銹鋼連桿4的另外一個目的是增加活塞體的質(zhì)量，從而增加運動的慣性(主要是調(diào)節(jié)運動的時間周期，以便于觀察)，從而達到忽略活塞3與圓筒2之間摩擦，為進一步減少摩擦，能夠采用在活塞3涂抹潤滑油的現(xiàn)有技術(shù)；不銹鋼連桿4的中心有一個連桿中心線5，連桿中心線5指示活塞體的對稱中心，通過細桿等物件推送活塞體，使連桿中心線5位于圓筒2的兩條圓筒中心圈6的中間，也就是使活塞體的中心與圓筒2的中心重合，然后旋緊兩端的密封帽I，接下來打開圓筒外側(cè)的電磁鐵8的電源，則不銹鋼連桿4受到電磁場的作用，沿著平行于圓筒2長度方向緩慢移動電磁鐵8，則不銹鋼連桿4也隨著移動，活塞體兩側(cè)的氣體，一側(cè)受到壓縮、一側(cè)受到拉伸，即一側(cè)壓強增加dP、一側(cè)的壓強減少dP，此時關(guān)閉電磁鐵8的電源，則活塞體將會發(fā)生振動。
[0012]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 ；
當電磁鐵8拉動連接活塞的不銹鋼連桿4移動時，導(dǎo)致一側(cè)的壓強增加dP，另一側(cè)的壓強減小dP，其活塞兩端的壓強差為2 dP，壓強差產(chǎn)生的該作用力F為:
F=S*2dP= τι *r2*2dP
其中r為活塞3的半徑，活塞3與圓筒2接觸，也就是圓筒2的內(nèi)部半徑；該作用力作用于活塞體(活塞體的質(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(dǎo)數(shù)dx2/dt2，其中位移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(圓筒2中心位置)的位移，則
F=Ji* r2*2dP=m dx2/dt2
V= Ji * r2*L
dV= τι 氺 r2 氺X
π* r2*2dP=-3i* r 2*2 (P* Y ) *χ/ L =m dx2/dt2 其中，L為活塞3到圓筒2端面的距離，假定圓筒2的長度為L1，兩個活塞3外側(cè)端面(處于密封氣體的一側(cè))之間的長度為L2，則L= (L1- L2)/2,當活塞體的長度能夠忽略時，即L1)) L2 時(比如 L1MOO* L2), L=L1^0
[0013]所以
dx2/dt2+[2 η * r 2*P* Y / (m L)]*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= [2 π * r 2*Ρ* 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 =2 Jim L /( r 2T2P)
當活塞體的長度能夠忽略時，即LI? L2時，L=Ll/2，則 y = 3im L1 /( r 2T2P)
其中，圓周率η =3.14159邱為活塞體的質(zhì)量(包含兩個活塞以及兩個活塞之間不銹鋼連桿4的質(zhì)量)；L為活塞3處于平衡位置時活塞3位于密封氣體一側(cè)的端面到最近一側(cè)圓筒2端面的距離；r為圓筒2的內(nèi)部的半徑；T為振動周期，為待測量，能夠通過現(xiàn)有技術(shù)的光電門進行測量，光電門的發(fā)光二極管和接收二極管的連線過圓筒2的圓形橫截面的圓心；Ρ為外界壓強，為待測量，通過氣壓表進行測量。
【權(quán)利要求】
1.兩端密封圓筒內(nèi)活塞振動測空氣比熱容比的方法，其特征是:一根由透明硬質(zhì)材料制作成的圓筒(2)的兩端都有外螺紋，能夠通過圓筒(2)的外螺紋與密封帽(I)的內(nèi)螺紋在圓筒(2)的兩端借助密封墊實現(xiàn)對圓筒(2)內(nèi)部的空氣進行密封；圓筒(2)外側(cè)的中心位置有兩條圓筒中心圈(6)，兩條圓筒中心圈(6)的中心為圓筒(2)的對稱中心，圓筒(2)外側(cè)有一個水平泡(7)，使水平泡朝上將圓筒(2)固定在一個支架上，通過調(diào)節(jié)支架的調(diào)節(jié)腳，使圓筒處于水平狀態(tài)；旋開圓筒(2)兩端的密封帽(1)，從圓筒(2)的一端塞入活塞體，活塞體由兩端的活塞(3)和連接兩個活塞的不銹鋼連桿(4)組成，不銹鋼連桿(4)為能夠被磁場吸引的物質(zhì)組成，在活塞(3)涂抹潤滑；不銹鋼連桿(4)的中心有一個連桿中心線(5)，連桿中心線(5)指示活塞體的對稱中心，通過細桿推送活塞體，使連桿中心線(5)位于圓筒(2)的兩條圓筒中心圈(6)的中間，也就是使活塞體的中心與圓筒(2)的中心重合，然后旋緊兩端的密封帽(1)，接下來打開圓筒外側(cè)的電磁鐵(8)的電源，則不銹鋼連桿(4)受到電磁場的作用，沿著平行于圓筒(2)長度方向緩慢移動電磁鐵(8)，則不銹鋼連桿(4)也隨著移動，活塞體兩側(cè)的氣體，一側(cè)受到壓縮、一側(cè)受到拉伸，即一側(cè)壓強增加dP、一側(cè)的壓強減少dP，此時關(guān)閉電磁鐵(8)的電源，則活塞體將會發(fā)生振動；空氣比熱容比Y為Y=2Jim L/( r 2T2P),當活塞體的長度能夠忽略時，即LI? L2時，L=LI/2, PJ Y = Jim L1 /( r 2T2P)，其中，圓周率η =3.14159 ;m為活塞體的質(zhì)量，L為活塞(3)位于密封氣體一側(cè)的端面到最近一側(cè)圓筒(2)端面的距離，L1為圓筒(2)的長度，r為圓筒(2)的內(nèi)部的半徑，T為振動周期，P為外界壓強。
【文檔編號】G01N7/00GK104266931SQ201410517115
【公開日】2015年1月7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)