变温空气粘滞系数测定仪-中国高等学校试验物理教学研究会.PDF

变温空气粘滞系数测定仪 -介绍一种新颖的热学实验教学仪器 南京工程学院 钱仰德 2 1. 问题的提出 • 空气粘滞系数很小： 在一般的实验中难以精确测量。尤其是在不同 温度情况下要研究η与温度的变化关系，更是 难上加难。 在此之前，有人研究采用“滚筒法”、“ 毛细管法”和“气垫导轨阻尼振动法”等测量 方法，网上相关的论文有几十篇之多,但这些 方法的测量效果如何呢？ 结果都是很不理想，原因是： • “滚筒法”需要借助轴承来支撑滚筒，而轴承的摩擦阻力 可能远大于空气的粘滞力,使实验误差大增； • “毛细管法”运用泊肃叶公式来测量空气的流量，间接地 测量空气的粘滞系数，原理上没有问题，但如何正确地计 量空气的流量，在技术上存在困难。 • 用“气垫导轨阻尼振动法”来测量空气的粘滞系数，问题 就比较大，因为滑块在气垫导轨上振动时遇到的阻力主要 来自流体对运动物体的阻力，可以用活塞效应来描述，这 一阻力远大于空气的粘滞阻力（大了约2 ～3个数量级） 。因此，用“气垫导轨阻尼振动法”来测量空气的粘滞系 数，基本没有可能。 所以: • 到目前为止，除演示实验中有定性表 现空气粘滞系数的实验外，能正确、 成功地定量测定空气粘滞系数的教学 仪器几乎还没有发现。 • 要研究空气的粘滞系数必须采用新的 实验方法。 2. 特别介绍:变温空气粘滞测定仪 1.仪器照片 2.创新点 • 采用转盘和悬丝测量法，利用悬 丝极小的扭力来进行测量，不用 轴承，没有摩擦损耗，解决了空 气粘滞系数难以精确测量的困难。 • 利用双层有机玻璃罩壳构成的隔热封闭空间和一 套半导体制冷系统及一套PTC陶瓷加热系统，通过 开关进行切换，营造一个局部的变温环境，解决 了系统变温的难题。 • 仪器转盘的转速可调，转动频率和系统温度通过 仪表直接显示，调整转速时采用数字电位器的先 进技术，使仪器的可靠性更上了一个等级。 3. 测量原理 （1）相距h 的空气层间的粘滞力元： （2 ）粘滞力元 产生的粘滞力矩元： （3）下圆盘对上圆盘的总的粘滞力矩M： （考虑到下层对上层全方位圆环的影响） （紧接上页） （4）上圆盘受力偏转时，悬丝的扭转力矩： （5）圆盘间的粘滞力矩与悬丝的扭转力矩平衡时 有： 于是有关系： （6 ）悬丝的劲度系数K可根据扭摆的公式给出： 最终本仪器导出的η的测量公式为： 按以上关系经实验测量结果的检验与公认值吻合。 关于空气粘滞系数与热力学温度T 的关系： 当气温变化超过50度时，偏转角θ会有约 10%的改变，这点也可以从实验中观察到。 重要更正： • 论文集下P294 中的公式（7 ）存在一个缺陷，它 与前面我给出的公式： 相比少了前面一个角度积分项，而这个角度积分 项是不能少的，因为下圆盘各面积元对上圆盘各 处全方位的影响都必须考虑，否则就会出现问题。 应该以目前的公式为准。 仪器的三大实验功能： • 用转盘悬丝法测定空气的粘滞系数 ； •研究空气粘滞系数与温度的关系， 探索空气粘滞系数的微观机制； • 用扭摆法测悬丝的扭转劲度系数。 仪器主要技术参数 • 外形尺寸：（长×宽×高）380×220×320 • 转盘转速调整范围：12转/秒～65转/秒及 “停止”档 • 变温范围:≥50⁰ • 变温控制分“制冷”、“空档”、“加热 ”三档 • 转盘直径90mm，悬挂圆盘质量约51g，转动 惯量4.44X10^-5 本仪器已申请国家发明专利 • 发明专利申请号：201410273760.X 结束语 热学实验是大学物理实验中的一 个重要组成部分。测定空气粘滞系数 的实验不仅是一项很好的综合性实验 ，更是一个很好的研究性实验。它不 仅涉及的实验理论较多，而且对实验 手段