用脉冲信号计时器测量气体比热容比

刘万林，刘凌飞，袁 辉，陈东生

（上海电力学院，上海 200090）

气体的定压热容CP与定容比热容CV之比γ＝CP／CV，在热力学过程特别是绝热过程中是一个很重要的参数，比热容是物质的重要参量，在研究物质结构、确定相变、鉴定物质纯度等方面起着重要的作用。本实验一般使用光电门进行计时，光电门专配电源和数据采集装置使其价格昂贵、通用性非常差。为此，设计了一种基于USB接口的脉冲信号计时器来辅助测量气体的比热容比，本装置不仅价格便宜而且通用性好［1－5］。

1 脉冲信号计时器的制作

脉冲信号计时器主要利用了激光二极管和光敏管。将激光二极管和光敏管结合，由计算机的USB接口为激光二极管提供电源，而光敏管则直接与计算机的麦克风接口相连接，这样就制作成了一个脉冲信号计时器（如图1所示）。当物体挡住激光二极管发出的光线时，光敏管产生的脉冲信号，记录脉冲信号的时间间隔就可以得到物理的运动周期。

图1 脉冲信号计时器实物图

实验中的一条带USB接头的数据线用来提供电源，另一条数据线作为脉冲信号的接收装置，通过计算机声卡直接将脉冲电信号传到电脑中。数据采集端使用计算机虚拟软件Audition 1.5，其功能强大，控制灵活，使用它可以录制、混合、编辑和控制数字音频文件［6－8］。

2 实验原理

如图2所示，若小球偏离平衡位置一个较小距离dx，则容器内的压力变化dp，物体的运动方程可以写为：

因为物体振动过程相当快，所以可以看作绝热过程，绝热方程：

将（2）式求导得出：

将（3）式代入（1）式得：

此式即为熟知的简谐振动方程，它的解为：

图2 玻璃谐振腔图

3 实验步骤

（1）如图3所示，连接好实验装置，并将计时器用铁架台固定。

图3 装置示意图

（2）调整计时器高度，使之正处于放气孔位置，从而能够保证每次小球经过时都能挡住红外线的光。

（3）打开装置，使小球产生谐振。

（4）待谐振稳定后，打开Audition软件，新建波形，捕捉脉冲信号。其信号图如图4所示，每三个波峰信号之间的时间间隔即为小球运动的一个周期。

图4 脉冲信号图

（5）用螺旋测微计和物理天平分别测出钢球的直径d和质量m，其中直径重复测量5次。

（6）利用公式（4）得出γ。

4 实验数据及分析

实验所得数据如表1所示

表1 小球作简谐运动的直径、周期

在忽略储气瓶II体积V和大气压P测量误差的情况下估算空气的比热容及其不确定度。储气瓶体积，取标准大气压，PL＝1.013×105pa，

平均值：

不确定度：

周期平均值：

不确定度：

5 结 论

自制光电门配合计算机辅助软件捕捉脉冲电信号，从而实现对小球谐振周期的测量，经过一系列计算所得数据与原仪器所得的数据比较，误差较小，充分证明实验的正确性，并且改进了实验，通过软件的波形图更直观、更精确地得到了实验数据。

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