一种空气比热容比的测量仪器及其测量方法与流程

本发明涉及一种物理学量的测量方法，尤其涉及的是一种空气比热容比的测量仪器及其测量方法。

背景技术：

定压比热容Cp与定容比热容Cv之比称为气体比热容比，通常用符号γ表示,即γ＝Cp/Cv，是描述气体热力学性质的一个重要参数。根据分子运动理论,γ的理论值为(n+2)/n，n为气体分子微观运动自由度的数目。当原子气体分子只有三个平移运动自由度，即n＝3，故γ＝5/3。氩、氦等单原子气体的γ实验值(1.66)与此非常接近。在不太高的温度下，双原子气体分子除有三个平动自由度外，还有两个转动自由度，即运动自由度n＝5，所以γ＝7/5。工程上常见的双原子气体，如氧、氮等分子在很宽的温度范围内的γ值也很接近此值。准确的实验值随温度的上升而略有下降。对于三原子气体，分子运动的自由度至少有六个，故γ＝4/3或更小些，如二氧化碳(CO₂)的γ值等于1.30。在空气动力学中，空气的γ值常取为1.40，喷气发动机中的燃后气体的γ值常取为1.33，火箭发动机中的燃后气体的γ值则常取为1.25。

绝热指数，英文名称：ad i abat ic exponent，理想气体可逆绝热过程的指数称为绝热指数，用K表示，所以理想气体比热容比等于绝热指数γ。若流体工质在状态变化的某一过程中不与外界发生热交换，则该过程就称为绝热过程。用节流孔板测量气体流量时，流体流过节流孔板时发生的状态变化，可近似地认为是一绝热过程。为了在测量中能求出气体膨胀系数，就需要知道表征被测气体为绝热过程的绝热指数。若该气体可认为是理想气体，则其绝热指数K就是定压比热容与定容比热容之比，即K＝Cp/Cv。对于实际气体来说，绝热指数与气体的种类、所受压力、温度有关。一般地说，单原子气体的绝热指数K为1.66，双原子气体的绝热指数K为1.41。

目前物理实验教学中对比热容比γ的测量，通常采用集气瓶打气放气的方法。此方法测量精度低，测量时人为主观因素对测量结果影响大，对测得的结果和理论值没有可比性。另外由于实验教学中难以实现对声速高精度测量，且还未提供改变温度测量声音速度的方法。所以还没有通过利用公式来测量空气比热容比的新方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种空气比热容比的测量仪器及其测量方法，利用声速与温度之间的关系其中V为声音速度，γ为比热容比，R摩尔气体常数，M气体的摩尔质量，T为热力学温度；通过测量一系列不同温度T对应的声速V，便可拟合得出比热容比γ。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种空气比热容比的测量仪器，包括声速测量管、声控发光单元阵列、电源端盖、反射端盖；

所述声速测量管为圆筒形透明双层结构；

所述声控发光单元阵列设在声速测量管内壁上；声速测量管一端面设有电源端盖，另一端面设有反射端盖；

位于电源端盖一端部的声速测量管上设有出水口，位于反射端盖一端部的声速测量管上设有进水口。

所述声速测量管横向设置在相对的两个支架上。

所述声控发光单元阵列正面上设有电路基板与贴片咪头，反面上设有双色LED。

所述电源端盖包括电源端盖外壳，在电源端盖外壳内侧设有弹簧针连接器与压电陶瓷蜂鸣片，外侧设有电源开关、音频信号输入端与管内音频信号检测输出端。

所述声速测量管内空气柱长度为已知定长，管内壁设有声控发光单元阵列，其用于显示声速测量管内空气驻波的波长个数，从而测得驻波波长。

所述声控发光单元阵列将声速测量管内的声音驻波状态的声音信号，转换为光信号，用发光双色LED直观显示出来，读取声速测量管内部驻波波长个数。

所述电源端盖用于将外接已知频率的音频信号转换为声音，并将电源连接到声控发光单元阵列的电路基板上。

所述反射端盖用于将电源端盖发出的声音反射回来，使得声音在声速测量管内部来回震荡形成驻波。

一种空气比热容比的测量方法，该测量方法包括下述顺序步骤：

向声速测量管的圆筒形透明双层结构内通入一定温度T的水；

通过电源端盖外接已知频率的音频信号转换为声音，并将电源连接到声控发光单元阵列的电路基板上；通过反射端盖将电源端盖发出的声音反射回来，使得声音在声速测量管内部来回震荡形成驻波；

利用声控发光单元阵列将声速测量管内声音强度分布转化为光强分布，读出管内波长个数，测得驻波波长；

利用波长和频率计算对应温度的声音速度V，根据即其中R和M为已知常数，通过测量温度T对应的声速V，准确的得出比热容比γ。

本发明相比现有技术，有益效果体现在：

1、本发明根据即其中R和M为已知常数，通过测量温度T对应的声速V，可以非常准确的得出比热容比γ；

2、和通常声速测量教学实验仪器相比，改变以往在开放空间中测量声速，采用管内驻波法测量声速，避免了外界噪声的干扰，使得声速测量精度更高；

3、本发明利用声速测量管的双层结构，通过水循环控制声速测量管内部空气的温度，提高温度控制的准确性和温度一致性，提供一种声速测量中控制温度的新方法；

4、本发明可通过测量多个温度点对应的声速数据，结合最小二乘法进行线性数据拟合，可更加准确实现对比热容比γ的测量，并进一步丰富实验教学内容；

5、本发明采用声控发光单元阵列，将声速测量管内的声音驻波状态的声音信号，转换为光信号，用发光LED直观显示出来，便于读取声速测量管内部驻波波长个数。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明一种空气比热容比的测量仪器结构示意图；

图2是本发明一种空气比热容比的测量仪器结构剖面示意图；

图3是本发明声控发光单元阵列正面结构示意图；

图4是本发明声控发光单元阵列反面结构示意图；

图5是本发明电源端盖结构示意图；

图6是本发明反射端盖结构示意图；

其中：1-声速测量管、2-声控发光单元阵列、3-电源端盖、4-反射端盖、5-支架、11-进水口、12-出水口、21-电路基板、22-贴片咪头、23-双色LED、31-电源端盖外壳、32-弹簧针连接器、33-压电陶瓷蜂鸣片、34-电源开关、35-音频信号输入端、36-管内音频信号检测输出端。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种空气比热容比的测量仪器，参见图1-2，包括声速测量管1、声控发光单元阵列2、电源端盖3、反射端盖4和支架5；

声速测量管1横向设置在相对的两个支架5上，用于支撑声速测量管1，对仪器起到稳定性作用；声控发光单元阵列2设在声速测量管1内壁上；声速测量管1一端面设有电源端盖3，另一端面设有反射端盖4；

具体地，声速测量管1为圆筒形透明双层结构，中间可利用水循环改变声速测量管内部空气温度；

位于电源端盖3一端部的声速测量管1上设有出水口12，位于反射端盖4一端部的声速测量管1上设有进水口11，便于利用水循环改变并控制管内温度；

参见图3-4，声控发光单元阵列2正面上设有电路基板21与贴片咪头22，反面上设有双色LED 23；双色LED 23、贴片咪头22均为贴片元器件，均是焊贴在电路板电路上的；

电源端盖3起到给声控发光单元阵列供电和同步控制作用，且可以将接入的音频信号转化为声音信号，即可以发声；参见图5，电源端盖3包括电源端盖外壳31，在电源端盖外壳31内侧设有弹簧针连接器32与压电陶瓷蜂鸣片33，外侧设有电源开关34、音频信号输入端35与管内音频信号检测输出端36；弹簧针连接器32是将电源端盖中的电源接到发光单元阵列上，为其供电，且提供相应的同步信号；压电陶瓷蜂鸣片33用于将接入的音频信号转化为声音，相当于喇叭，由于表面平整(不同于喇叭)，能更有效的产生平面声波，可提高声速测量精度；电源开关34用于控制外部电源对整个仪器的供电；音频信号输入端35用于接入音频信号；管内音频信号检测输出端36用于将声速测量管内空气振动情况用电信号输出，与示波器连接后可观察管内空气振动波形，主要用于观察管内空气是否处于最佳的驻波状态，在调节输入音频信号频率时，当管内音频信号检测输出端36输出信号很强，说明最佳的驻波状态形成；

声速测量管1内空气柱长度为已知定长，管内壁设有声控发光单元阵列2，其用于显示声速测量管内空气驻波的波长个数，从而知道驻波波长(波长＝声速测量管空气柱长度/波长个数)；

声控发光单元阵列2将声速测量管1内的声音驻波状态的声音信号，转换为光信号，用发光双色LED直观显示出来，便于读取声速测量管内部驻波波长个数；双色LED，采用红、翠绿双色，观察效果较好，使用时LED显示翠绿色表示空气处于舒张状态，LED显示红色表示空气处于压缩状态。

电源端盖3用于将外接已知频率的音频信号转换为声音，并将电源连接到声控发光单元阵列2的电路基板21上；

反射端盖4用于将电源端盖3发出的声音反射回来，使得声音在声速测量管内部来回震荡形成驻波；反射端盖4为硬质材料，本仪器中为了美观采用亚克力，参见图6；

一种空气比热容比的测量方法，利用声速与温度之间的关系其中V为声音速度，γ为比热容比，R摩尔气体常数，M气体的摩尔质量，T为热力学温度；通过测量不同温度T的声速V，便可拟合得出比热容比γ。

所述声控发光单元阵列2，位于声速测量管1内测，用于将声速测量管1内声音强度分布转化为光强分布，从而读出管内波长个数，从而知道驻波波长；

所述电源端盖3，用于将外接已知频率的音频信号转换为声音，并将电源连接到声控发光单元阵列2的电路基板上；

所述反射端盖4，用于将电源端盖3发出的声音反射回来，使得声音在声速测量管1内部来回震荡形成驻波；

利用波长和频率计算对应温度的声音速度，根据即其中R和M为已知常数，通过测量温度T对应的声速V，可以非常准确的得出比热容比γ；

上述技术方案根据提供测量空气的比热容比的新方法，且和已有的声速测量教学实验仪器相比，声速测量精度高，可测量不同温度下的声音速度，进一步丰富实验教学内容。

在已知R、M，以及声速测量管内空气柱长度L的前提下，实验测量中调节外接音频信号的频率，当在示波器上看到输出信号幅度达到最大，表明声速测量管内空气振动处于驻波状态，此时记下音频信号频率f；从声控发光单元阵列上发光二极管颜色交替情况，数出声速测量管内空气驻波波长个数n；波长λ＝L/n，声速

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。