一种变温空气粘滞系数测定仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种热学类的物理实验教学仪器，尤其是一种变温空气粘滞系数测定 仪。
【背景技术】
[0002] 空气的粘滞系数是一个重要的物理常数，准确测定空气的粘滞系数，在理论上和 实践上都具有重要意义。但因空气的粘滞系数数值很小，一般在实验中测量比较困难，现有 的各种对空气粘滞系数测量的教学仪器一般只能以演示为主。此外，按照分子物理学的微 观解释，空气的粘滞系数应和空气分子的平均速率或气体热力学温度的平方根成正比。而 要定量、准确地验证这一关系，目前还缺少这方面的教学实验仪器。
【发明内容】
[0003] 为了填补物理教学仪器在准确地测定空气粘滞系数并验证其与空气的热力学温 度的平方根成正比关系方面的空缺，本发明提出了一种变温空气粘滞系数测定仪。可以较 为准确地测定空气粘滞系数并验证其与空气的热力学温度的平方根成正比的关系。
[0004] 具体做法是：本发明设计的仪器采用一体化的结构，整套仪器安装在一个机壳上。 在机壳的顶部是变温空气粘滞系数的测量装置，在机壳的下部是仪表显示和控制部分及相 应的控制开关、旋钮。
[0005] 本发明在机壳顶部用双层有机玻璃罩壳构成一个隔热的封闭空间。另有一套半导 体制冷系统和一套PTC陶瓷加热系统，通过开关的转换对此密闭空间的气体进行降温或加 热，营造一个局部的变温系统。在此密闭空间中还有一套转盘空气粘滞力测量系统，该系统 由两块相互平行、上下间距靠近且可沿同一轴线转动的圆盘构成。下圆盘可在电机的带动 下作定轴高速旋转，上圆盘与它靠近，由于空气的粘滞力作用，上圆盘会受到一个与下圆盘 作同方向转动的粘滞力矩。这一粘滞力矩非常小，故上圆盘用一个扭转劲度系数非常小的 扭丝悬挂，用以测量所受到的微弱的粘滞力矩。当悬挂上圆盘的扭丝扭转时，会产生一个反 方向的恢复力矩。当下圆盘转速保持一定时，它通过空气的粘滞力作用对上圆盘的粘滞力 矩是一定的，此粘滞力矩与上圆盘的扭丝的恢复力矩达到平衡时，上圆盘转过的角度也是 一定的。上圆盘受到的粘滞力矩越大，转过的角度也越大。只要测定出扭丝的扭转力劲度 系数，再根据上下圆盘的间距和半径、转速差等就可算出空气的粘滞系数。在实测中，下圆 盘的转速越大、空气的温度越高、上圆盘转过的角度也越大。反之则相反。改变不同的空气 温度，就可测定空气的粘滞系数与温度的关系。
[0006] 本发明在机壳的下部，设置有显示机壳顶部密闭空间中空气温度的仪表和下圆盘 转动频率的仪表，便于进行测量控制。
[0007] 本发明的设计原理依据是：根据牛顿粘滞定律，设空气中Z。位置、相距为dZ的A、 B两个流层间存在速度梯度一，则在dS面积元上气体层间的粘滞力元df为： CN 105185201 A 说明书 2/3 页
要计算两圆盘间的粘滞力对上圆盘的粘滞力矩须用积分的方法： 设：上下圆盘的间距为h，下圆盘转动频率为F，两圆盘转轴重合半径相同，均为R，则在 上、下圆盘间半径为r处面积为ds = 2'nrdr的面积元上气体流层间产生的粘滞力元df， 根据（1)式应为：
而粘滞力元df产生的粘滞力矩元：
结合以上两式，上圆盘的总的粘滞力矩M为：
考虑到上圆盘受到扭丝的恢复力矩根据虎克定律有它与粘滞力矩 M平衡时有关系：
代入（4)式，可解得粘滞系数：
根据（6)式，只要测得了两圆盘间的距离h、圆盘的半径R和下圆盘的转动频率F及上 圆盘扭丝的劲度系数K和扭转角Θ，就可求出粘滞系数η来。
[0008] 至于扭丝劲度系数K的测量方法，不能用一般的加力测量的方法，需要是用扭摆 法根据上圆盘的转动惯量和上圆盘扭转摆动的周期来间接地测量悬丝的劲度系数。当上圆 盘的转动惯量I已知时，上圆盘被悬挂扭转摆动的周期若测得为Τ，则根据扭摆实验中的推 论，扭丝的劲度系数为：
以上即为本发明的设计原理依据。
[0009] 本发明所述的变温空气粘滞系数测定仪。其特征是：仪器采用一体化的结构，整套 仪器安装在一个机壳中，在机壳的顶部是变温空气粘滞系数的测量装置，在机壳的下部是 仪表显示和控制部分。
[0010] 本发明所述的变温空气粘滞系数测定仪。其特征是：在机壳顶部有一个用双层有 机玻璃罩壳构成的隔热的封闭空间，另有一套半导体制冷系统和一套PTC陶瓷加热系统， 通过开关的转换对此密闭空间的气体进行降温或加热，营造一个局部的变温系统。
[0011] 本发明所述的变温空气粘滞系数测定仪。其特征是：在由双层有机玻璃罩壳构成 的密闭空间中有一套转盘空气粘滞力测量系统，该系统由两块相互平行、上下间距靠近且 可沿同一轴线转动的圆盘构成，下圆盘可在电机的带动下作定轴高速旋转，与它靠近的上 圆盘则被一个扭丝悬挂。
[0012] 本发明所述的变温空气粘滞系数测定仪。其特征是：在扭丝悬挂的上圆盘上绘有 角度标志，可以指示上圆盘转过的角度。
[0013] 本发明解决其技术问题所采用的主要技术方案是：（1)用一套半导体制冷系统和 一套PTC陶瓷加热系统对双层有机玻璃罩壳内的空间进行局部的降温或加热；（2)用转盘 法来测空气的粘滞系数、用扭丝悬挂上圆盘来测量所受到的微弱的粘滞力矩。
[0014] 本发明的有益效果是：对分子物理学的教学提供了一种有价值的仪器。
【附图说明】
[0015] 下面结合附图对本发明进行详细的说明。
[0016] 图1是整机结构示意图。在图1中：1.仪器机壳，2.半导体制冷系统，3.外层有机 玻璃罩壳，4.内层有机玻璃罩壳，5.(悬挂上圆盘的）扭丝，6.上圆盘，7.下圆盘，8. PTC陶 瓷加热系统，9.电动机，10.温度传感器，11.转动传感器，12.降温-加热转换开关，13.温 度显示仪表，14.(下圆盘)转动频率指示仪表，15.电机转速控制旋钮，16.电源开关，17.指 示灯。
[0017] 图2是上圆盘（6)上绘制的角度标志示意图。在图2中：5.(悬挂上圆盘的)扭丝， 6.上圆盘。
【具体实施方式】
[0018] 整台仪器采用一体化结构，仪器机壳（1)的顶部是变温空气粘滞系数的测量装置， 仪器机壳（1)的下部是仪表显示和控制部分。在仪器机壳（1)的顶部，有一个半导体制冷系 统（2 )可以穿过外层有机玻璃罩壳（3 )和内层有机玻璃罩壳（4 )给罩壳内的密闭空间降温， 在内层有机玻璃罩壳（4)内部有一对相互平行且靠近的圆盘一上圆盘（6)和下圆盘（7)， 下圆盘被电动机（9)带动可作定轴高速旋转，而靠近下圆盘（7)的上圆盘（6)则被扭丝（5) 悬挂，当下圆盘（7)转动时，上圆盘（6)在空气粘滞力的粘滞力矩和扭丝扭转力的恢复力矩 的共同作用下会偏转一定角度。当需要给有机玻璃罩壳内的密闭空间升温时，可以通过降 温-加热转换开关（12)把半导体制冷系统（2)关闭，再打开PTC陶瓷加热系统（8)，使其工 作。有机玻璃罩壳内的密闭空间的温度可以通过温度显示仪表（13)显示，下圆盘的转动频 率则可通过转动频率指示仪表（14)显示,转速的调节可以通过电机转速控制旋钮（15)控 制。电源开关（16)和指示灯（17)则是仪器工作的总电源控制和指示。
【主权项】
1. 一种变温空气粘滞系数测定仪，其特征是：仪器采用一体化的结构，整套仪器安装 在一个机壳上，在机壳的顶部是变温空气粘滞系数的测量装置，在机壳的下部是仪表显示 和控制部分。2. 根据权利要求1所述的一种变温空气粘滞系数测定仪，其特征是：在机壳顶部有一 个用双层有机玻璃罩壳构成的隔热的封闭空间，另有一套半导体制冷系统和一套PTC陶瓷 加热系统，对此密闭空间的气体进行降温或加热。3. 根据权利要求2所述的一种变温空气粘滞系数测定仪，其特征是：在由双层有机玻 璃罩壳构成的密闭空间中有一套转盘空气粘滞力测量系统，该系统由两块相互平行、上下 间距靠近且可沿同一轴线转动的圆盘构成，下圆盘可在电机的带动下作定轴旋转，与它靠 近的上圆盘则被一个扭丝悬挂。4. 根据权利要求1所述的一种变温空气粘滞系数测定仪，其特征是：在扭丝悬挂的上 圆盘上绘有角度标志，可以指示上圆盘转过的角度。
【专利摘要】一种变温空气粘滞系数测定仪，该仪器采用一体化的结构，整套仪器安装在一个机壳上。在机壳的顶部是变温空气粘滞系数的测量装置，在机壳的下部是仪表显示部分。在机壳顶部有一个用双层有机玻璃罩壳构成的隔热的封闭空间，另有一套半导体制冷系统和一套PTC陶瓷加热系统，通过开关的转换对此密闭空间的气体进行降温或加热，营造一个局部的变温系统。在由双层有机玻璃罩壳构成的密闭空间中有一套转盘空气粘滞力测量系统，该系统由两块相互平行、上下间距靠近且可沿同一轴线转动的圆盘构成。下圆盘可在电机的带动下作定轴旋转，与它靠近的上圆盘则被一个扭丝悬挂。
【IPC分类】G09B23/16
【公开号】CN105185201
【申请号】CN201410273760
【发明人】钱仰德, 雷撼, 张凯
【申请人】南京千韵电子科技有限公司
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2014年6月19日