劉萬林，劉凌飛，袁 輝，陳東生

（上海電力學(xué)院，上海 200090）

氣體的定壓熱容CP與定容比熱容CV之比γ＝CP／CV，在熱力學(xué)過程特別是絕熱過程中是一個很重要的參數(shù)，比熱容是物質(zhì)的重要參量，在研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、確定相變、鑒定物質(zhì)純度等方面起著重要的作用。本實驗一般使用光電門進(jìn)行計時，光電門專配電源和數(shù)據(jù)采集裝置使其價格昂貴、通用性非常差。為此，設(shè)計了一種基于USB接口的脈沖信號計時器來輔助測量氣體的比熱容比，本裝置不僅價格便宜而且通用性好［1－5］。

1 脈沖信號計時器的制作

脈沖信號計時器主要利用了激光二極管和光敏管。將激光二極管和光敏管結(jié)合，由計算機(jī)的USB接口為激光二極管提供電源，而光敏管則直接與計算機(jī)的麥克風(fēng)接口相連接，這樣就制作成了一個脈沖信號計時器（如圖1所示）。當(dāng)物體擋住激光二極管發(fā)出的光線時，光敏管產(chǎn)生的脈沖信號，記錄脈沖信號的時間間隔就可以得到物理的運動周期。

圖1 脈沖信號計時器實物圖

實驗中的一條帶USB接頭的數(shù)據(jù)線用來提供電源，另一條數(shù)據(jù)線作為脈沖信號的接收裝置，通過計算機(jī)聲卡直接將脈沖電信號傳到電腦中。數(shù)據(jù)采集端使用計算機(jī)虛擬軟件Audition 1.5，其功能強大，控制靈活，使用它可以錄制、混合、編輯和控制數(shù)字音頻文件［6－8］。

2 實驗原理

如圖2所示，若小球偏離平衡位置一個較小距離dx，則容器內(nèi)的壓力變化dp，物體的運動方程可以寫為：

因為物體振動過程相當(dāng)快，所以可以看作絕熱過程，絕熱方程：

將（2）式求導(dǎo)得出：

將（3）式代入（1）式得：

此式即為熟知的簡諧振動方程，它的解為：

圖2 玻璃諧振腔圖

3 實驗步驟

（1）如圖3所示，連接好實驗裝置，并將計時器用鐵架臺固定。

圖3 裝置示意圖

（2）調(diào)整計時器高度，使之正處于放氣孔位置，從而能夠保證每次小球經(jīng)過時都能擋住紅外線的光。

（3）打開裝置，使小球產(chǎn)生諧振。

（4）待諧振穩(wěn)定后，打開Audition軟件，新建波形，捕捉脈沖信號。其信號圖如圖4所示，每三個波峰信號之間的時間間隔即為小球運動的一個周期。

圖4 脈沖信號圖

（5）用螺旋測微計和物理天平分別測出鋼球的直徑d和質(zhì)量m，其中直徑重復(fù)測量5次。

（6）利用公式（4）得出γ。

4 實驗數(shù)據(jù)及分析

實驗所得數(shù)據(jù)如表1所示

表1 小球作簡諧運動的直徑、周期

在忽略儲氣瓶II體積V和大氣壓P測量誤差的情況下估算空氣的比熱容及其不確定度。儲氣瓶體積，取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，PL＝1.013×105pa，

平均值：

不確定度：

周期平均值：

不確定度：

5 結(jié) 論

自制光電門配合計算機(jī)輔助軟件捕捉脈沖電信號，從而實現(xiàn)對小球諧振周期的測量，經(jīng)過一系列計算所得數(shù)據(jù)與原儀器所得的數(shù)據(jù)比較，誤差較小，充分證明實驗的正確性，并且改進(jìn)了實驗，通過軟件的波形圖更直觀、更精確地得到了實驗數(shù)據(jù)。

［1］ 劉紹娜，李書偉，湯沛，等.基于聲卡和 Adobe Audi－tion的動彈性模量測試方法研究［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2011（10）：84－86.

［2］ 唐亞陸，胡光，張俊.空氣比熱容比之聲速測量法［J］.大學(xué)物理實驗，2010（5）：59－61.

［3］ 張彩霞.對空氣比熱容比測定實驗的研究［J］.太原師范學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2005（1）：56－59.

［4］ 何雨華，方愷，陳銘南，等.智能型氣體比熱容比測定實驗教學(xué)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)設(shè)計［J］.實驗室探究與探索，2008（11）：37－40.

［5］ 朱國良.空氣比熱容比測定實驗設(shè)備改造和新方法探索［J］.湖北師范學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2005（2）：80－81.

［6］ 金吉松，李小云.振動法測氣體比熱容比實驗方法的改進(jìn)［J］.臺州學(xué)院學(xué)報，2010（6）：39－42.

［7］ 馬永軒，劉子建.空氣比熱容比實驗教學(xué)方法新探［J］.大學(xué)物理實驗，2012，5（13）：35－37.

［8］ 顧媛媛.由相對不確定度研究氣體比熱容化的測量儀［J］.大學(xué)物理實驗，2012（6）.