一種變溫空氣粘滯系數測定儀的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種熱學類的物理實驗教學儀器，尤其是一種變溫空氣粘滯系數測定 儀。
【背景技術】
[0002] 空氣的粘滯系數是一個重要的物理常數，準確測定空氣的粘滯系數，在理論上和 實踐上都具有重要意義。但因空氣的粘滯系數數值很小，一般在實驗中測量比較困難，現有 的各種對空氣粘滯系數測量的教學儀器一般只能以演示為主。此外，按照分子物理學的微 觀解釋，空氣的粘滯系數應和空氣分子的平均速率或氣體熱力學溫度的平方根成正比。而 要定量、準確地驗證這一關系，目前還缺少這方面的教學實驗儀器。
【發明內容】
[0003] 為了填補物理教學儀器在準確地測定空氣粘滯系數并驗證其與空氣的熱力學溫 度的平方根成正比關系方面的空缺，本發明提出了一種變溫空氣粘滯系數測定儀。可以較 為準確地測定空氣粘滯系數并驗證其與空氣的熱力學溫度的平方根成正比的關系。
[0004] 具體做法是：本發明設計的儀器采用一體化的結構，整套儀器安裝在一個機殼上。 在機殼的頂部是變溫空氣粘滯系數的測量裝置，在機殼的下部是儀表顯示和控制部分及相 應的控制開關、旋鈕。
[0005] 本發明在機殼頂部用雙層有機玻璃罩殼構成一個隔熱的封閉空間。另有一套半導 體制冷系統和一套PTC陶瓷加熱系統，通過開關的轉換對此密閉空間的氣體進行降溫或加 熱，營造一個局部的變溫系統。在此密閉空間中還有一套轉盤空氣粘滯力測量系統，該系統 由兩塊相互平行、上下間距靠近且可沿同一軸線轉動的圓盤構成。下圓盤可在電機的帶動 下作定軸高速旋轉，上圓盤與它靠近，由于空氣的粘滯力作用，上圓盤會受到一個與下圓盤 作同方向轉動的粘滯力矩。這一粘滯力矩非常小，故上圓盤用一個扭轉勁度系數非常小的 扭絲懸掛，用以測量所受到的微弱的粘滯力矩。當懸掛上圓盤的扭絲扭轉時，會產生一個反 方向的恢復力矩。當下圓盤轉速保持一定時，它通過空氣的粘滯力作用對上圓盤的粘滯力 矩是一定的，此粘滯力矩與上圓盤的扭絲的恢復力矩達到平衡時，上圓盤轉過的角度也是 一定的。上圓盤受到的粘滯力矩越大，轉過的角度也越大。只要測定出扭絲的扭轉力勁度 系數，再根據上下圓盤的間距和半徑、轉速差等就可算出空氣的粘滯系數。在實測中，下圓 盤的轉速越大、空氣的溫度越高、上圓盤轉過的角度也越大。反之則相反。改變不同的空氣 溫度，就可測定空氣的粘滯系數與溫度的關系。
[0006] 本發明在機殼的下部，設置有顯示機殼頂部密閉空間中空氣溫度的儀表和下圓盤 轉動頻率的儀表，便于進行測量控制。
[0007] 本發明的設計原理依據是：根據牛頓粘滯定律，設空氣中Z。位置、相距為dZ的A、 B兩個流層間存在速度梯度一，則在dS面積元上氣體層間的粘滯力元df為： CN 105185201 A 說明書 2/3 頁
要計算兩圓盤間的粘滯力對上圓盤的粘滯力矩須用積分的方法： 設：上下圓盤的間距為h，下圓盤轉動頻率為F，兩圓盤轉軸重合半徑相同，均為R，則在 上、下圓盤間半徑為r處面積為ds = 2'nrdr的面積元上氣體流層間產生的粘滯力元df， 根據（1)式應為：
而粘滯力元df產生的粘滯力矩元：
結合以上兩式，上圓盤的總的粘滯力矩M為：
考慮到上圓盤受到扭絲的恢復力矩根據虎克定律有它與粘滯力矩 M平衡時有關系：
代入（4)式，可解得粘滯系數：
根據（6)式，只要測得了兩圓盤間的距離h、圓盤的半徑R和下圓盤的轉動頻率F及上 圓盤扭絲的勁度系數K和扭轉角Θ，就可求出粘滯系數η來。
[0008] 至于扭絲勁度系數K的測量方法，不能用一般的加力測量的方法，需要是用扭擺 法根據上圓盤的轉動慣量和上圓盤扭轉擺動的周期來間接地測量懸絲的勁度系數。當上圓 盤的轉動慣量I已知時，上圓盤被懸掛扭轉擺動的周期若測得為Τ，則根據扭擺實驗中的推 論，扭絲的勁度系數為：
以上即為本發明的設計原理依據。
[0009] 本發明所述的變溫空氣粘滯系數測定儀。其特征是：儀器采用一體化的結構，整套 儀器安裝在一個機殼中，在機殼的頂部是變溫空氣粘滯系數的測量裝置，在機殼的下部是 儀表顯示和控制部分。
[0010] 本發明所述的變溫空氣粘滯系數測定儀。其特征是：在機殼頂部有一個用雙層有 機玻璃罩殼構成的隔熱的封閉空間，另有一套半導體制冷系統和一套PTC陶瓷加熱系統， 通過開關的轉換對此密閉空間的氣體進行降溫或加熱，營造一個局部的變溫系統。
[0011] 本發明所述的變溫空氣粘滯系數測定儀。其特征是：在由雙層有機玻璃罩殼構成 的密閉空間中有一套轉盤空氣粘滯力測量系統，該系統由兩塊相互平行、上下間距靠近且 可沿同一軸線轉動的圓盤構成，下圓盤可在電機的帶動下作定軸高速旋轉，與它靠近的上 圓盤則被一個扭絲懸掛。
[0012] 本發明所述的變溫空氣粘滯系數測定儀。其特征是：在扭絲懸掛的上圓盤上繪有 角度標志，可以指示上圓盤轉過的角度。
[0013] 本發明解決其技術問題所采用的主要技術方案是：（1)用一套半導體制冷系統和 一套PTC陶瓷加熱系統對雙層有機玻璃罩殼內的空間進行局部的降溫或加熱；（2)用轉盤 法來測空氣的粘滯系數、用扭絲懸掛上圓盤來測量所受到的微弱的粘滯力矩。
[0014] 本發明的有益效果是：對分子物理學的教學提供了一種有價值的儀器。
【附圖說明】
[0015] 下面結合附圖對本發明進行詳細的說明。
[0016] 圖1是整機結構示意圖。在圖1中：1.儀器機殼，2.半導體制冷系統，3.外層有機 玻璃罩殼，4.內層有機玻璃罩殼，5.(懸掛上圓盤的）扭絲，6.上圓盤，7.下圓盤，8. PTC陶 瓷加熱系統，9.電動機，10.溫度傳感器，11.轉動傳感器，12.降溫-加熱轉換開關，13.溫 度顯示儀表，14.(下圓盤)轉動頻率指示儀表，15.電機轉速控制旋鈕，16.電源開關，17.指 示燈。
[0017] 圖2是上圓盤（6)上繪制的角度標志示意圖。在圖2中：5.(懸掛上圓盤的)扭絲， 6.上圓盤。
【具體實施方式】
[0018] 整臺儀器采用一體化結構，儀器機殼（1)的頂部是變溫空氣粘滯系數的測量裝置， 儀器機殼（1)的下部是儀表顯示和控制部分。在儀器機殼（1)的頂部，有一個半導體制冷系 統（2 )可以穿過外層有機玻璃罩殼（3 )和內層有機玻璃罩殼（4 )給罩殼內的密閉空間降溫， 在內層有機玻璃罩殼（4)內部有一對相互平行且靠近的圓盤一上圓盤（6)和下圓盤（7)， 下圓盤被電動機（9)帶動可作定軸高速旋轉，而靠近下圓盤（7)的上圓盤（6)則被扭絲（5) 懸掛，當下圓盤（7)轉動時，上圓盤（6)在空氣粘滯力的粘滯力矩和扭絲扭轉力的恢復力矩 的共同作用下會偏轉一定角度。當需要給有機玻璃罩殼內的密閉空間升溫時，可以通過降 溫-加熱轉換開關（12)把半導體制冷系統（2)關閉，再打開PTC陶瓷加熱系統（8)，使其工 作。有機玻璃罩殼內的密閉空間的溫度可以通過溫度顯示儀表（13)顯示，下圓盤的轉動頻 率則可通過轉動頻率指示儀表（14)顯示,轉速的調節可以通過電機轉速控制旋鈕（15)控 制。電源開關（16)和指示燈（17)則是儀器工作的總電源控制和指示。
【主權項】
1. 一種變溫空氣粘滯系數測定儀，其特征是：儀器采用一體化的結構，整套儀器安裝 在一個機殼上，在機殼的頂部是變溫空氣粘滯系數的測量裝置，在機殼的下部是儀表顯示 和控制部分。2. 根據權利要求1所述的一種變溫空氣粘滯系數測定儀，其特征是：在機殼頂部有一 個用雙層有機玻璃罩殼構成的隔熱的封閉空間，另有一套半導體制冷系統和一套PTC陶瓷 加熱系統，對此密閉空間的氣體進行降溫或加熱。3. 根據權利要求2所述的一種變溫空氣粘滯系數測定儀，其特征是：在由雙層有機玻 璃罩殼構成的密閉空間中有一套轉盤空氣粘滯力測量系統，該系統由兩塊相互平行、上下 間距靠近且可沿同一軸線轉動的圓盤構成，下圓盤可在電機的帶動下作定軸旋轉，與它靠 近的上圓盤則被一個扭絲懸掛。4. 根據權利要求1所述的一種變溫空氣粘滯系數測定儀，其特征是：在扭絲懸掛的上 圓盤上繪有角度標志，可以指示上圓盤轉過的角度。
【專利摘要】一種變溫空氣粘滯系數測定儀，該儀器采用一體化的結構，整套儀器安裝在一個機殼上。在機殼的頂部是變溫空氣粘滯系數的測量裝置，在機殼的下部是儀表顯示部分。在機殼頂部有一個用雙層有機玻璃罩殼構成的隔熱的封閉空間，另有一套半導體制冷系統和一套PTC陶瓷加熱系統，通過開關的轉換對此密閉空間的氣體進行降溫或加熱，營造一個局部的變溫系統。在由雙層有機玻璃罩殼構成的密閉空間中有一套轉盤空氣粘滯力測量系統，該系統由兩塊相互平行、上下間距靠近且可沿同一軸線轉動的圓盤構成。下圓盤可在電機的帶動下作定軸旋轉，與它靠近的上圓盤則被一個扭絲懸掛。
【IPC分類】G09B23/16
【公開號】CN105185201
【申請號】CN201410273760
【發明人】錢仰德, 雷撼, 張凱
【申請人】南京千韻電子科技有限公司
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2014年6月19日