一种改进的振动法测量空气比热容比的装置制造方法
【专利摘要】一种改进的振动法测量空气比热容比的装置，涉及物理常数的测量。为克服现有技术存在的问题，采用的技术方案是：一种改进的振动法测量空气比热容比的装置，包括玻璃管和钢球，钢球接近玻璃管的表面与对应位置的玻璃管的距离能够达到0.01-0.02mm，玻璃管的侧面有一个小孔，其特征是：钢球上对称分布2根或2根以上的圆柱，所有圆柱的轴线相互平行，圆柱的一侧与钢球紧密接触并嵌入到钢球内部，另一侧凸出于钢球球面；在玻璃管上设置凹槽，凹槽的条数等于钢球球面的圆柱的根数，钢球球面的圆柱沿着玻璃管的凹槽上下滑动。小孔为多圈、多列，小孔的个数在10-500个。有益效果是：有效避免钢球的转动；流动空气接近为层流，从而减少钢球与玻璃管壁的碰撞。
【专利说明】—种改进的振动法测量空气比热容比的装置
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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”。
[0003]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。
[0004]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—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—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Icm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】
[0005]为克服现有技术存在的问题，本发明设计一种改进的振动法测量空气比热容比的
>J-U ρ?α装直。
[0006]本发明实现发明目的采用的技术方案是:一种改进的振动法测量空气比热容比的装置，包括玻璃管和钢球，钢球接近玻璃管的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:钢球上对称分布2根或2根以上的圆柱，所有圆柱的轴线相互平行，圆柱的一侧与钢球紧密接触并嵌入到钢球内部，另一侧凸出于钢球球面；在玻璃管上设置凹槽，凹槽的条数等于钢球球面的圆柱的根数，圆柱最外侧的轮廓线所在的圆周的直径大于玻璃管的内径(内侧直径)，钢球球面的圆柱只能在玻璃管的凹槽内上下滑动。
[0007]小孔为多圈、多列，每一圈的多个小孔位于一个圆周上、相对于圆周的圆心等角度分布，每个小孔位于紧邻的两条凹槽之间的中间(对称中心)。小孔的个数在10-500个。
[0008]本发明所带来的有益效果是:钢球表面固定有圆柱，圆柱套入玻璃管的凹槽中，有效避免钢球的转动；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；小孔从一个改进为多圈多列，有利于气流对称，减少钢球与玻璃管管壁的碰撞。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是现有技术的装置示意图；图2是改进钢球示意图；图3是改进玻璃管示意图。
[0010]其中，1、钢球；2、圆柱，3、玻璃管，4、小孔，5、凹槽。
【具体实施方式】
[0011]与现有技术相同点在于装置的部件相同，都包含钢球1、玻璃管3，玻璃管3的侧面有一个小孔4。
[0012]在现有技术的钢球I上对称分布2根或2根以上的圆柱2，所有圆柱2的轴线相互平行，优选2-8根圆柱2，圆柱2的一侧与钢球I紧密接触并部分嵌入到钢球内部(圆柱2和钢球I因接触位置不同，嵌入的深度有差别，圆柱2上下端的嵌入深度为0，中间嵌入最深，竖直方向的中间位置，最佳嵌入面积为圆柱横街面积的一半)，另一侧凸出于钢球I球面，受到圆柱2的阻挡，以及钢球I靠近玻璃管3的表面，钢球I与玻璃管3之间的距离比较小(现有技术在0.01-0.02mm)，这样的结构能有效避免钢球I在上下方向的翻转，当然该结构并不能限制钢球I在水平面内旋转。
[0013]进一步，在玻璃管3上设置凹槽5，凹槽5的条数与钢球I球面的圆柱2的根数对应，即凹槽5的条数等于钢球I球面的圆柱2的根数，钢球I球面的圆柱2沿着玻璃管3的凹槽5上下滑动，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，圆柱2外侧形成的轮廓(所有圆柱2最外侧轮廓线所在的圆柱形表面)的半径大于玻璃管3内侧的半径(内径)，则钢球I不能在水平方向旋转。
[0014]为便于钢球I的运动，当钢球I球心所在的轴线与玻璃管3的轴线重合时，钢球I以及钢球I表面的圆柱2与玻璃管3以及玻璃管3凹槽5的距离在0.01-0.02mm (与现有技术相同)，换句话说，钢球I表面(包括圆柱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)。
[0015]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I产生转动的几率，受到圆柱2与凹槽5的嵌套配合，本发明不可能出现转动，但是气流不对称会导致钢球I碰撞到玻璃管3的内侧表面，本发明将小孔4改进为:小孔4从现有技术的一个改进为多圈、多列的小孔4，每一圈的多个小孔4位于一个圆周上(该圆周面垂直于玻璃管的轴线，如果是两个小孔，则两个小孔的连线与玻璃管的中心轴线垂直相交)、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l_2mm，本发明的小孔的直径为0.1-ο.2mm,小孔4位于两条凹槽之间的中间(垂直于两条紧邻凹槽的紧邻边缘线的线段的中心)，小孔4的个数在10-500个。
【权利要求】
1.一种改进的振动法测量空气比热容比的装置，包括玻璃管(3)和钢球(1),钢球(1)接近玻璃管的表面与对应位置的玻璃管(3)的距离能够达到0.01-0.02臟，玻璃管(3)的侧面有小孔(4),其特征是:^^(1)上对称分布2根或2根以上的圆柱(2),所有圆柱(2)的轴线相互平行，圆柱(2)的一侧与钢球(1)紧密接触并嵌入到钢球内部，另一侧凸出于钢球(1)球面；在玻璃管(3)上设置凹槽(5),凹槽(5)的条数等于钢球(1)球面的圆柱(2)的根数，钢球(1)球面的圆柱(2)只能在玻璃管(3)的凹槽(5)内上下滑动。
2.根据权利要求1所述的一种改进的振动法测量空气比热容比的装置，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)位于紧邻的两条凹槽(5)之间的中间。
3.根据权利要求2所述的一种改进的振动法测量空气比热容比的装置，其特征是:小孔(4)的个数在10-500个。
【文档编号】G01N25/20GK104316560SQ201410585322
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月28日 优先权日:2014年10月28日
【发明者】胡再国, 邹旭敏, 罗明蓉, 雍志华, 饶大庆, 穆万军, 梁雅庭, 刘石丹, 何原, 于白茹, 田野中, 朱俊, 李伟 申请人:四川大学