电热当量测量.doc

电热当量在没有认识热的本质以前，热量、功、能量的关系并不清楚，所以它们用不同的单位来表示。热量的单位用卡路里，简称卡。18世纪末，人们认识了热与运动有关。这为后来焦耳研究热与功的关系开辟了道路。焦耳认为热量和功应当有一定的当量关系，即热量的单位卡和功的单位焦耳间有一定的数量关系。他从1840年开始，到1878年近40年的时间内，利用电热量热法和机械量热法进行了大量的实验，最终找出了热和功之间的当量关系。如果用W表示电功或机械功，用Q表示这一切所对应的热量，则功和热量之间的关系可写成WJQ，J即为热功当量。在1843年，焦耳用电热法测得的J值大约为4568焦卡；用机械方法测得的J值大约为4165焦卡。以后焦耳又分别在1845年、1847年、1850年公布了他进一步测定的结果，最后在1878年公布的结果为J4157焦卡。以后随着科学仪器的进一步发展，其他科学家又做了大量的验证。目前公认的热功当量值为：在物理学中J41868焦卡（其中的“卡”叫国际蒸汽表卡）；在化学中J41840焦米（其中的“卡”叫热化学卡）。 现在国际单位已统一规定功、热量、能量的单位都用焦耳，热功当量就不存在了。但是，热功当量的实验及其具体数据在物理学发展史上所起的作用是永远存在的。焦耳的实验为能量转化与守恒定律奠定了基础。一、教学目的了解电流作功与热量的关系。二、教学要求1、实验三小时完成。2、了解物理天平，学会它的调节和使用方法。3、通过实验检验功热是否相等 三、教学重点和难点电路连线；温度的读取四、讲授内容（约20分钟）采用问答方式讲授。1、实验原理仪器装置如图所示，M与B分别为量热器的内外两个圆筒，C为绝缘程度，D为绝缘盖，J为两个铜金属棒，用以引入加热电流，F是绕在绝缘材料上的加热电阻丝，G是搅拌器，H为温度计，E为稳压电源。强度为I 安培的电流在t秒内通过电热丝，电热丝两端的电位差为U伏特。则电场力做功为 WIUt（1）这些功全部转化为热量，此热量可以用量热器来测量。设m1表示量热器内圆筒质量，C1表示其比热。m2表示铜电极和铜搅拌器的质量，C2表示其比热。m3表示量热器内圆筒中水的质量，C3表示水的比热，T1和T2表示量热器内圆筒及圆筒中水的初始温度和终止温度，那么量热器内圆筒及圆筒中的水等由导体发热所得的热量Q为 Q（m1C1m2C2m3C3）（T2T1） （2）所以 W=Q 通过实验检验此式是否相等。2、实验主要步骤1用天平称量出量热器内筒质量m筒。然后向量热器内筒注入水，水的体积占内筒容积12左右。用天平称出筒和水的总质量m，则m水mm筒。2将量热器内筒放入外筒，电阻丝、搅拌器放入水中，盖上盖板，按图连好电路。读出量热器系统初温T1。3调电源电压，输出为15.0伏左右，闭合开关同时启动秒表记时，并迅速调节变阻器使电流在（0.7001.000）安培。以后要随时观察电流表和调整变阻器，使电流值保持稳定。通电过程中，不断轻微搅拌水，以加速热传导。读出电流表和电压表的示数。4过15分钟左右，断开开关，并同时停止计时。继续搅拌水并观察温度计示数，读出温度T2和通电时间t。5将记录数据代入公式计算，求出百分误差。五、实验注意事项？ 1物理天平称量时，既要准确又要注意安全。2数字温度计要浸入水中，但又不能触及电热丝，也不要查得很深。3电路接好后，须经指导教师检查无误后，才能接通电源，注意电表的正负极性不要接反。4只有当电热丝浸入在水中才能通电，否则，电热丝可能会被烧坏。 5实验完毕立即将杯中的水倒掉，以免腐蚀电极六、指导要点电路接线时，注意数字电压表、数字电流表的正负极性不要接反。注意数字电压表测量的是电阻丝两端电压，不是电源两端电压。附录 散热修正如果实验是在系统（量热器内筒及筒中的水等）的温度与环境的温度平衡时，对电阻通电，那么系统加热后的温度就高于室温。实验过程中将同时伴随散热作用，这样，由温度计读出的终止温度的数值T2必须比真正的终止温度的数值Tf低。（即假设没有散热所应达到的终温为Tf）。为了修正这个温度的误差，实验时在相等的时间间隔内，记下相对应的温度，然后以时间为横坐标，温度为纵坐标作图，如图34b2所示。图中AB段表示通电以前系统与环境达到热平衡后的稳定阶段，其稳定温度（即室温）也就是系统的初温T0，BC段表示在通电时间t内，系统温度的变化情况。由于温度的变化存在滞后的现象，因而断电后系统的温度还将略为上升，如CD段所示， DE段表示系统的自然冷却过程。根据牛顿冷却定律，当系统的温度T与环境的温度相差不大时，由于散热，系统的冷却速率 （4）即冷却速率与系统的温度T成线性关系。当系统自T0升温到T2时，其冷却速率相应从0增大到。所以在BD升温过程中，系统的平均冷却速率，在此过程中由于散热而使系统最终产生的误差 （5）系统的真正终温 （6）数据处理时，还可用作图的方法求Tf值。如图2所示，将DE线段往左外延，再通过P点（t1/2点）作横坐标轴的垂线与DE的外延线交于F点，则F点对应的温度就是系统修正后的终止温度Tf 。如果系统起始加热的温度T0不等于室温，则由于开始时的温度冷却速率不为零，系统的温度修正值不能用（5）式。从牛顿冷却定律知，当系统与环境的温