[发明专利]一种变温空气粘滞系数测定仪

说明书

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。在机壳的顶部是仪器的测量部分，在机壳的下部是仪表显示和控制部分。在机壳顶部测量部分中有一套半导体制冷系统和一套PTC陶瓷加热系统，通过开关的转换在一密闭空间中对气体进行降温或加热，营造一个局部的变温系统，在机壳顶部密闭空间中还有一套转盘式空气粘滞力测量装置，该装置由两块相互平行、上下间距很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。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。

技术领域

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

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和测定空气的粘滞系数，目前缺少这方面的教学实验仪器。

发明内容

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。

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。在机壳的顶部是仪器的测量部分，在机壳的下部是仪表显示和控制部分。

本发明在机壳顶部的测量部分用双层有机玻璃罩壳构成一个隔热的封闭空间。其中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。在此测量部分中还有一套转盘式空气粘滞力测量装置，该装置由两块相互平行、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，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。

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。

本发明的设计原理依据是：根据牛顿粘滞定律，设空气中Z₀位置、相距为dZ的A、B两个流层间存在速度梯度,则在dS面积元上气体层间的粘滞力元df为：

（1）

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处面积为的面积元上气体流层间产生的粘滞力元df，根据（1）式应为：

(2)

而粘滞力元df产生的粘滞力矩元：

（3）

结合以上两式，上圆盘的总的粘滞力矩M为：

(4)