高中物理奥林匹克竞赛热学实验部分.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除 热学实验在热学中，压强、体积、温度是热力学系统的三个基本状态参量。通过热学实验，学会正确使用温度计（如液体温度计、半导体灵敏温度计、热电偶温度计等）、气压计、量热器等基本热学仪器，从而掌握温度、压强等参量的测量方法。热膨胀、热能转换、相变、气态变化等热现象的研究和重要物理量（如线胀系数、导热系数等）的测定以及基本规律的验证是热学实验的主要内容，通过实验加深对这些现象的认识和状态变化规律的理解。热学实验具有自己的规律和特点，其实验误差主要是系统误差。在实验中，因测量温度和散热所引起的误差是实验误差的主要方面。由于散热不可避免，热学实验一般误差较大。做实验时，为了尽量减小实验误差，必须在掌握实验的基础上，针对不同实验的特点，采用较好的散热修正方法。以期得到比较理想的实验结果。并能逐步学会比较各种设计方案以选取最优化的测量方法。实验一 金属比热的测定实验目的1学会最基本的测量热量的方法混合法。2测量金属的比热。3学习热学实验中系统散热带来的误差的修正方法。实验仪器量热器，温度计（050，准确到0.1），加热器，待测金属块，细线，物理天平，秒表，小量筒。实验原理温度不同的物体混合之后，热量从高温物体传给低温物体。若在混合过程中，与外界无热量交换，最后将达到一个稳定的平衡温度。这期间，高温物体放出的热量等于低温物体吸收的热量，此称为热平衡原理。将质量为mx,，温度为T1，比热为cx的金属块，投入量热器内筒中（设其与搅拌器的热容量为C1）。量热器的内筒装入水的质量为m0，其比热为c0，初温为T2，与金属块混合后的温度为T3，温度计插入水中部分的热容量设为C2。根据热平衡原理，列出平衡方程 mxcx（T3T1）（m0c0C1C2）（T2T3） （311）由此可得金属块的比热 （312）量热器和搅拌器多由相同物质制成，查表可求得其比热C1，并算出C1m1c1，m1是量热器的内筒和搅拌器的总质量；而C219VJ1，V是温度计插入水中的体积，单位是cm3。只要测出m0、m、T1、T2、T3的值，则可由（312）式求得待测金属块的比热cx值。在上述混合过程中，实际上系统总要与外界交换热量，这就破坏了（311）式的成立条件。为消除影响，需要采用散热修正。本实验中热量散失的途径主要有三个方面。第一，若用先加热金属块投入量热器的混合法，则投入前有热量损失，且这部分热量不易修正，只能用尽量缩短投放时间来解决；第二，将室温的金属块投入盛有热水的量热器中，混合过程中量热器向外界散失热量，由此造成混合前水的温度与混合后水的温度不易测准。为此，绘制水的温时曲线，根据牛顿冷却定律来修正温度。方法如下：若在实验中做出水的温时曲线如图311所示，AB段表示混合前量热器及水的冷却过程，BC段表示混合过程, CD段表示混合后冷却过程。通过G点作与时间轴垂直的一条直线交AB、CD的延长线于E和F，使面积BEG与面积CFG相等，这样，E和F点对应的温度就是热交换进行无限快的温度，即没有热量散失时混合前后的初温就是热交换进行无限快的温度，即没有热量散失时混合前后的温度；第三，量热器表面若由于水滴附着，会使其蒸发而散失较多的热量，这可在实验前使用干燥毛巾擦净量热器而避免。 T2T1TOCDGFEBAt图311实验内容待测金属块与水混合可有多种方法，本实验采用将室温的金属块投入盛有温水的量热器中的混合方法，其散热修正采用上述修正的方法。1测出室温T1，测量待测金属块的质量mx ；2擦净量热器的内筒，称量它和搅拌器的质量m1,然后倒入高出室温2030的水，迅速将绝热盖盖好，插入温度计和搅拌器，不断搅动搅拌器，并启动秒表，每隔一分钟读一次温度数值，在混合前可测量读取数值8次（8分钟）；3把系有细线的金属块迅速投入量热器内，使其悬挂浸没在水中，盖好盖子，继续搅动搅拌器，开始每隔15秒记录一次温度，2分钟后，每隔一分钟记录一次，共记录8次；4取出量热器的内筒,称其总质量并减去mm1,即为水的质量m0；5小量筒测出温度计浸入水中的体积V0；另换温水，重复上述实验一次。6实验时应注意（1）本实验的误差主要来自温度的测量，因此在测量温度时要特别注意，读数迅速且要准确（准确到0.1）；（2）倒入量热器中的温水不要太少，必须使投入的金属块悬挂浸没在其中。数据处理1 将实验中测出的各个数值填入下表：前8分钟中间2分钟后8分钟 次 T（） 次T（） 次T（） 次T（） 次T（） 次T（）151515262626373737484848m 0（kg）m （kg）m1（kg）C0（Jk11）C1（Jk11）V（cm3）2使用坐标纸，绘制温时曲线，进行散热修正，确定T2、T3的数值。3将各个测量数值代入（312）式，求得Cx,再根据重复实验值取平均值。4从附表中查出所用金属快的比热值作为标准值，按公式求出实验的相对误差。思考题1混合法的理论根据是什么？2分析实验中哪些因素会引起系统误差？测量时怎样才能减小实验误差？3若采用预先加热金属块投入低于室温的水中混合的方法，本实验应怎样设计和进行操作？4如果混合前金属块和水的温度都在变化，其初温怎样测量？出现这种情况对实验有何影响？应怎样避免？附录 温度计温度计由玻璃和水银制成，玻璃的比热为0.19calg11，密度为2.5g。水银的比热为0.033calg11，密度为13.6gcm3，因而1cm3玻璃的热容量为 0.192.50.47（cal1）这相当于0.47g水的热容量，称作水的当量热容。1cm3水银的热容量为 0.03313.60.45（cal1）两者差别不大，取平均值为0.46cal1，若浸入水中温度计的体积为V cm3，则其水的当量热容为 C0.46V（cal1）实验二 金属线胀系数的测定实验目的掌握利用光杠杆测定线胀系数的方法。实验仪器线胀系数测定仪（附光杠杆），望远镜直横尺，钢卷尺，蒸汽发生器，气压计（共用），温度计（50100，准确到0.1），游标卡尺。实验原理1金属线胀系数的测定及其测量方法固体的长度一般是温度的函数，在常温下，固体的长度L与温度t有如下关系： LL0（1t） （321）式中L0为固体在t0时的长度；称为线胀系数。其数值与材料性质有关，单位为1。设物体在t1时的长度为L，温度升到t2时增加了L。根据（321）式可以写出 LL0（1t1） （322） LLL0（1t2） （323）从（322）、（323）式中消去L0后，再经简单运算得 （324）由于LL，故（324）可以近似写成 （325）L2dh图321D显然，固体线胀系数的物理意义是当温度变化1时，固体长度的相对变化值。在（325）式中，L、t1、t2都比较容易测量，但L很小，一般长度仪器不易测准，本实验中用光杠杆和望远镜标尺组来对其进行测量。关于光杠杆和望远镜标尺组测量微小长度变化原理可以根据如图321所示进行推导。由图中可知，tg=L/h,反射线偏转了2，tg2=d/D, 当角度很小时，tg22, tg,故有2L/h=d/D，即 Ld h/2D，或者L（d2d1）h/2D （326）2测量装置简介待测金属棒直立在仪器的大圆筒中，光杠杆的后脚尖置于金属棒的上顶端，两个前脚尖置于固定平台的凹槽内。设在温度t1时，通过望远镜和光杠杆的平面镜，看到标尺上的刻度d1恰好与目镜中十字横线重合，当温度升到t2时，与十字横线重合的是标尺的刻度d2，则根据光杠杆原理可得 （327）实验内容1在室温下，用米尺测量待测金属棒的长度L三次，取平均值。然后将其插入仪器的大圆柱形筒中。注意，棒的下端点要和基座紧密接触。2插入温度计，小心轻放，以免损坏。3将光杠杆放置到仪器平台上,其后脚尖踏到金属棒顶端,前两脚尖踏入凹槽内。平面镜要调到铅直方向。望远镜和标尺组要置于光杠杆前约1米距离处，标尺调到垂直方向。调节望远镜的目镜，使标尺的像最清晰并且与十字横线间无视差。记下标尺的读数d1。4记下初温t1后，给仪器通电加热，待温度计的读数稳定后，记下温度t2以及望远镜中标尺的相应读数d2。5停止加热。测出距离D。取下光杠杆放在白纸上轻轻压出三个足尖痕迹，用铅笔通过前两足迹联成一直线，再由后足迹引到此直线的垂线，用标尺测出垂线的距离h。数据处理1把测得的数据代入（327）式，计算出值；2将的测量值与实验室给出的真值相比较，求出百分误差。思考题1本实验所用仪器和用具有哪些？如何将仪器安装好？操作时应注意哪些问题？2调节光杠杆的程序是什么？在调节中要特别注意哪些问题？3分析本实验中各物理量的测量结果，哪一个对实验误差影响较大？4根据实验室条件你还能设计一种测量L的方案吗？实验三(a) 水的汽化热的测定（用量热器测）实验目的1利用量热器测定在当地大气压下水沸腾时的汽化热。2学会测量量热器的有效热容量。实验仪器蒸汽发生器，量热器，温度计（050，准确到0.1），电子天平（共用），蒸馏水，胶皮管，秒表，气压计（共用）等。实验原理物质由液态向气态转化的过程叫汽化。在液体自由表面上进行的汽化称为蒸发。当液体内部饱和气泡因温度升高而膨胀上升到液面后破裂，这样的汽化过程叫沸腾。液体汽化时温度要下降，若要保持温度不变，外界就要不断地供给热量。1kg液体汽化时所吸收的热量叫做该物质的汽化热。汽化热与汽化时的温度有关，温度升高时，汽化热将减小。物质从气态向液态转化的过程叫凝结。凝结时，要放出相同条件下汽化所吸收的热量。本实验就是运用测量凝结时放出的热量的方法来测定水的汽化热。设有质量为m沸点为t2的水蒸汽通入已经盛有质量为m0，温度为t1的冷水的量热器中经过热交换达到热平衡后，量热器内温度升至t。在这一过程中，通入的水蒸汽放出的热量为 Q放mLm1c0（t2t）式中L为水在沸点时的汽化热；c0为水的比热。m1为通入量热器中水和蒸汽的总质量。测出量热器的热容量为Ck。而量热器内整体吸收的热量为 Q吸(m0c0Ck)(tt1)设量热器内为一孤立系统，则由热平衡原理可列出热平衡方程 mLm1c0(t2t)(m0c0Ck)(tt1)可见水在t2时的汽化热为 L(m0c0Ck) (tt1)m1c0(t2t)/m温度计B量热器A蒸汽发生器图33a1量热器的热容量可以这样计算：称出量热器内的金属圆筒和搅拌器的质量，乘相应的比热再相加即可。实验内容 1实验装置如图33a1所示，A为蒸汽发生器，B为量热器。经加热从蒸汽发生器出来的水蒸汽，再经蒸汽胶管通入量热器。2实验时，先称出空量热器的质量把低于室温的水倒入瓶内，再称出量热器和水的总质量，从而求得倒入量热器内水的质量。3将装有蒸馏水的蒸汽发生器加热，当蒸汽发生器喷射的蒸汽很猛烈时，才能把蒸汽通入量热器内，通入蒸汽前，要记下水的初温t1。4通入蒸汽后开始计时，并用搅拌器缓慢搅动。每隔一分钟测量一次水温，并记下数据。当水温升高到室温以上时，拨出插入量热器内的蒸汽管，停止向水中通入蒸汽继续搅动筒内的水，记下筒内水的最高温度t以及通入蒸汽的总时间。5称出量热器和水的总质量，求出输入筒中水蒸汽和水的总质量。6考虑到通入量热器内的水蒸汽可能带入少量的水滴，这部分小水滴的凝结热却散失在筒外，因此需要对此进行修正。修正的办法是将插入量热器内的蒸汽管子拨出后水平置于一小烧杯的上方，接取与在实验中通蒸汽所用相同时间内喷出的小水滴，并称其质量可得到修正后水蒸汽的质量。实验中应注意以下几点：(1) 当排气管大量排气，从管口不见水滴流出时，方可插入量热器内进行实验。(2) T即当时大气压下水的沸点，可从资料中查出。100附近水的汽化热可按公式LT539.50.640(100T) Kcalkg1进行计算。在100时，水的汽化热为539.5 Kcalkg1。数据处理自拟数据记录表格。将表中数据代入公式，算出水在沸点温度时的汽化热值。思考题1. 实验开始时就将蒸汽过滤器和量热器连接起来是否可以？为什么？2进入量热器中的水蒸汽混入一些水滴时，对实验有何影响？应该怎样进行修正？3本实验中量热器也不是一个完善的绝热系统，其散热的影响应该如何消除？实验四(b) 热功当量的测定（用电热法）实验目的JAMBCFGHD 图34b1VE1用电热法测量热功当量。2学会一种热量散失的修正方法修正终止温度。实验仪器量热器（附电热丝），温度计（050、0.1），电流表，电压表，直流稳压电源，秒表，物理天平，开关等。实验原理仪器装置如图34b1所示，M与B分别为量热器的内外两个圆筒，C为绝缘垫圈，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。1电热法测热功当量强度为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 （34b1）这些功全部转化为热量，此热量可以用量热器来测量。设m1表示量热器内圆筒和搅拌器以及装有缠绕线的胶木支架（一般质料相同，否则应分别考虑）的质量，C1表示其比热。m2表示缠绕线的胶木（或玻璃）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，V表示温度计沉入水中的体积，T0和Tf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（m1C1m2C2m3C30.46V）（TfT0） （34b2）所以，热功当量 焦耳/卡 （34b3）J的标准值J04.1868焦耳/卡。ECFT ()PT0ABDTTTfT2tt1ttt (分)图34b222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 （34b4）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 （34b5）系统的真正终温 （34b6）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（34b5）式。从牛顿冷却定律知，当系统与环境的温度相差不大时（小于15），其温度冷却速率与温度差成正比。于是，可得开始加热时的冷却速率其中，v为用温度计测得系统的终止温度T2时的冷却速率，可从图34b2求得（）。所以在BD升温过程中系统的平均冷却速率系统的真正终温 （34b7）实验内容1从供给设备上测量并记录下量热器的内圆筒的质量，搅拌器和胶木支架质量及胶木质量m2；2在量热器的内圆筒中装上二分之一到三分之二容积的水；3按图34b1接好电路，盖好量热器的盖子，插上温度计（浸入水中，又不可触及电热丝），打开电源并调节直流稳压电源的输出电压，用搅拌器缓慢搅动量热器的内圆筒中的水，使内圆筒中的水温每分钟升高1.5左右。记下电表测得的电流及电压（电流不可超过3A）；4断开电源，量热器的内圆筒中的温水替换为同量、温度为室温的蒸馏水。用物理天平称量质量（扣除量热器内筒质量后方为蒸馏水质量m3）；5待量热器内水的温度稳定后，记录下数值，此时的温度为初始温度T0。合上电源开关，使电路通电，同时，用秒表开始计时，每隔一分钟分别记一次温度计、安培表及伏特表的读数（亦可每隔20秒依次对上述三个量进行一次读数，然合周而复始）。实验过程中必须连续缓慢搅动量热器的内圆筒中的水，以使温度均匀，直到温度超过初始温度约7，再断开电源。记下实际通电的时间t，断电后系统温度还会略为升高，故必须仔细观察并记下系统的终止温度T2及其经历的时间t1。以后继续搅拌，并每隔二分钟记录一次读数，以获得自然冷却数据（至少记录6次）。6用小量筒估计温度计浸入水中的体积V（不需很准确，为什么？）数据处理1将实验数据列表记录平均电流I_（A）；平均电压U_（V）；通电时间t_（秒）。2作Tt变化曲线，由图中求出系统的真正终止温度Tf。3把T0，Tf等实验数据代入（34b3）式计算热功当量，并求出各个测量值的误差。注意事项1温度计要浸入水中，但又不能触及电热丝。2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。3只有当电热丝浸入在水中才能通电，否则，胶木和电热丝可能会被烧坏。思考题1试用误差传递公式估算本实验热功当量的相对误差，并指出那一个量对测量结果的影响最大，要作具体数值计算。2切断电源后，水温还会上升少许，然后才开始下降，记录T2、t1及用作图的方法求出Tf时，如何处理为正确？3为什么要限制加热的温升速率？过大或过小的温升速率对实验结果有什么影响？4根据牛顿冷却定律，你能否提出与本实验教材不同的温度修正方法。实验五 气体三定律及气态方程的验证实验目的1验证气体三定律及气态方程。2测定气体的普适常数R。实验仪器气体定律实验仪，温度计，气压计（共用），交直流电源（DC69V，AC24V）。实验原理1气体三定律及气态方程一定质量的理想气体，当温度保持不变时，遵从玻意耳马略特定律，即 p1V1p2V2 恒量当体积保持不变时，遵从查理定律，即 恒量当压强保持不变时，遵从盖吕萨克定律，即 恒量一定质量的理想气体，当三个状态参量都变化时，可满足气态方程 （351）式中n为气体摩尔数；R为气体普适恒量。在常温常压下，空气近似遵从以上三个定律和气态方程。由（351）式中可得 （352）24NM96图351vJ116879514131512310J24VR11h式中n的数值可按如下的方法求得，在标准状况下（p0760mmHg、T0273.15K），1mol气体的体积为V022.4103cm3，n mol气体的体积为n V0；当温度变为T，压强仍为标准状态下的数值时，根据盖吕萨克定律n mol气体的体积为 （353） （354）2气体定律实验仪的结构和原理本实验用的气体定律实验仪器如图351所示。它主要由定压气体温度计、控温线路和体积压强测量计三部分组成。仪器整体固定在一块支撑木板上，并装入一长方形木匣里。使用时，打开木匣，竖立起支撑木板，然后安装调试。（1）定压气体温度计它由图中的直角玻璃管1组成，竖直部分的底端封闭，水平部分的2是水银滴，3是注入水银的小口，2的左侧与大气相通，右侧则构成密闭容器，当密闭容器内的气体受热膨胀时，推动水银滴2向左移动，其右侧压强p1与左侧大气压强p0相等（p1p2）时，水银滴停止移动。降温时，密闭容器内气体收缩，使水银滴向右移动，两侧压强相等时，又停止移动。在整个测温过程中，密闭容器中的气压始终与大气压p0相等，而每一温度值，表现为水银滴的一个特定位置。由于水平控温玻璃管上没有设置刻度，所以实验时必须与其它温度计6配合使用，把密闭容器1与温度计6一并插入水中，当温度指示为20，则水银滴的停留位置可标记为20。（2）控温线路它由电热丝R、继电器J、接触针头M、N及指示灯5等部件组成。当接通24V交流电源开关时，电热丝R通过继电器J的常闭触点J1接入电源开始加热，同时指示灯5亮。随着温度升高，气体温度计的水银滴2在左移。温度升到某一温度t时，水银滴和触头M、N接触，使继电器J线圈组电路导通（继电器线圈绕组电路接有69V直流电源），继电器J做出闭合的动作，常闭触点J1断开，指示灯灭，加热停止。当温度下降时，水银滴向右移动，一旦离开M、N时，继电器绕组电路就被切断，继电器复位，常闭触点J1再次闭合，电热丝R 导通加热。由此可见，控温电路便可达到自动控温的目的。在实验中，调节接触针头的旋钮4，使接触针头M、N置于不同的位置上，就能控制得到不同的温度。（3）体积压强测量计在图351中，体积压强测量计是由一支带气阀门11的长玻璃管13，通过橡胶管15联接着一个长颈漏斗和管14，构成U形管。可以把水银由长颈漏斗14中注入。当管13的气阀门11打开时，U形管子的两端均与大气相通，两端水银面相平，其高度差h为零。当管13的气阀门11关闭时，将管14提高，管13内空气被压缩，空气柱变短，体积减小，气压增加到p。这时，p与大气压强p0之差等于管14和管13水银面高度差hpp0。当把管14降低时，则p p0，h为负值。管13外套的粗玻璃管是盛水管，内装有电热丝R。水被加热时，热量也传递给管13内的气柱，达到平衡时，空气柱的温度与水的温度相同。这样通过测量U形管子水银面的高度差h，（可由管14右侧的标尺读出），可以确定封闭在管13中气柱的压强p；通过测量空气柱长度L（可由设在管13旁侧的标尺读出），可以确定气体的体积；通过插入在水中的温度计6测出的水温，用来确定气柱的温度t 。因此，我们就可以研究密闭在管12中的气体的压强p ，体积V和温度T三者之间的关系。实验内容1安装和调试仪器（1）把仪器测量部分竖立起来，在管13的气阀门11上面涂上一薄层凡士林，以免实验中漏气。（2）把装水管子下出水口关闭，从上进水口漏斗10注入净水。使水面升到距离橡胶塞子约1cm处。（3）把气阀门11打开，将管14的上面管口用固定螺丝9固定在标尺上约30cm处，从管14上口注入水银，使水银面升高到标尺20cm处。等待两个管子内的水银面水平后，关闭气阀门11。（4）开启橡皮帽3，用吸管从注水银的开口处注入水银，在水银柱的长度约1cm时，将水银柱调整到控温玻璃管上标有t0的位置。塞好橡皮帽，勿使此处漏气。（5）把温度计插入盛水管中，将整个控温臂水平地装在标尺板上。连接控温线路，并进行校准。校准完毕后再进行实验。2验证玻意耳马略特定律不加热，在常温下慢慢升降管4，记录下每一次对应的气柱长度L和水银面高度差h，测得6组数据进行实验。3验证查理定律通电加热，保持管13中气柱长度L值不变，测得T（可用定压气体温度计测也可用温度计直接读出）以及相应的p值。共测量6组数据。4验证盖吕萨克定律通电加热后，慢慢调节管14，使管13的水银面取齐（h0），即压强不变，测出6组数据。5验证理想气体状态方程调节管14，使管13 和14的两水银面等度。通电加热气柱，在每一特定的温度T下测定空气柱的p、V值。测出3组即可验证。6测定气体普适常数R调节管14，使管13和14的两水银面取齐。通电加热气柱，保持气柱的气压不变，等于大气压强p0（p0由气压计读出），测三次进行计算。数据处理1根据步骤24中测得数据分别作出pV图、pT图、VT图。2根据步骤6中测得的数据，利用（353）式算出摩尔数n，并取平均值，再利用（351）式，算出R值。思考题1气体三定律各自成立的条件是什么？本实验中如何在操作上予以保证？2实验过程中如何判断系统水温已稳定？3本实验中有哪些因素会对实验结果产生影响？分析造成误差的主要原因。实验六(a) 良导体导热系数的测定实验目的1用稳态法测定铜的导热系数。2用稳流法测量传递的热量。实验仪器导热系数测定器，温度计4支，水位器，蒸汽发生器，停表，游标卡尺，烧杯，天平等。实验原理T2T1IHGFEDBACT3T4 图36a1L蒸汽入口蒸汽出口1仪器构造如图36a1所示，被测量的铜金属棒AB，两端分别固定于蒸汽箱C和低温水箱（内有螺旋水管）D中，AB、C、D全部装在有绝热材料的铁皮箱中，以避免热量由AB的侧面散失。由C箱上部通入蒸汽向A端供热，B端则由从D箱E口流入、F口流出的冷水来吸热。为了保持水流的稳定，水源经稳压水槽G流入E口，由于稳压水槽设置有溢流管子H，当水流入G，由水源来的多余的水可经过溢流管子排出，从而使水槽中水面维持在管口的高度，达到稳压的目的。温度计T4、T3分别测量流出和流入D的水流温度。 水流量的大小可由夹子I来控制。温度计T1、T2插在AB金属圆柱体上，相距L的两个小孔中，以测量该处的温度。2实验原理热传导是热量传播的方式之一，它是通过物体直接接触来传导热量的。我们知道，热传导规律为 （36a1）式中叫做温度梯度；是t时间通过横截面积为S的物体传递的热量；负号表示热流指向x减小的方向；常数K称为导热系数，导热系数大的物体具有较好的导热性能，称为良导体。导热系数小的物体则称为不良导体。一般讲金属比非金属的导热系数大，固体比液体导热系数大，而气体导热系数最小。SST1T2 图36a2L如图36a2所示，为一根长为L、截面积为S的金属棒，左端面的温度为T1，右端面温度较低为T2。热量将从金属棒高温的一端传向低温的一端。当金属棒的侧面热传递可以忽略时，热流则从左向右流过金属棒。当金属棒内各点的温度沿传热方向均匀减小，且温度不随时间改变时，即达到稳定流动状态，称为“稳态”热流。此时温度梯度，把此公式代入（36a1）式，得 （36a2）本实验用稳流法测量传递的热量。测出了t秒内，由D流出的水的质量m 及流入和流出的水温T4、T3后，则可求出在t秒内流水带走的热量，即 （36a3）c为水的比热容。由于金属棒侧面传热可以忽略，故流水带走的热量就是t时间内通过金属棒截面传导的热量，即，因此得 （36a4）其中d为圆柱直径。测量了（36a4）式中各个量即可求出导热系数K。实验内容1用游标卡尺测量金属棒直径d和温度计T1、T2间的距离L;2按图安装好仪器，最后插入温度计;3接通蒸汽发生器电源，使水沸腾，将蒸汽自C端上管送入。打开水源，调节水流（不要使水从温度计T4插口处流出），经过一段时间使4只温度计读数都稳定;4将一空烧杯置于F管口下方，同时启动秒表，测定t时间内的流水质量。每隔一分钟读一次T1、T2、T3、T4的读数，如有变化取平均值;5改变水流量，重复上述测量;6应注意：稳压水槽调好后，实验中不能再调；水流速度必须调节适当，水流太慢了T3易超过温度计读数范围，以致毁坏温度计；若水流太快，T3、T4温差太小，则实验误差大；必须使各个温度计的读数都稳定之后，才能开始进行测量和记录数值；要防止排出的蒸汽到处弥漫影响实验。数据处理1处理实验步骤4中的测量数据，连续三次求m/t 的平均值。2计算导热系数K及其误差。3将实验结果与铜的导热系数K4.01102J/ms做出比较分析。思考题1什么叫“稳态”热流？实验中如何实现“稳态”条件？2怎样判断金属棒是否达到了稳定流动状态？3本实验中要测量哪些量？其中有几个是关键量？实验六(b) 不良导体导热系数的测定实验目的1掌握不良导体导热系数的测定方法稳态平衡法。2测定不良导体（橡皮或胶木）的导热系数，并学会利用冷却法绘制曲线求等温冷却速度。实验仪器不良导体导热系数测定仪，温度计（0100，精确到0.1），蒸汽发生器，气压计（共用），游标卡尺，螺旋测微器，秒表。实验原理温度计上铜板下铜板橡皮或胶木木块图36b1出汽口进汽口不良导体导热系数测定仪器装置如图36b1所示。上铜板与蒸汽室相接，汽室内的温度T1为水的沸点温度，可由气压计测出室内压强值，再按附近压强与沸点之间的关系求得T1。下铜板侧面开有一个小孔，可插入温度计，测量T2，下有绝热支架，便于悬在空中有利于散热。热传导理论指出，只要物质内部的温度不均匀，便有热量传递。根据热传导定律，沿直线L方向，在dt时间内通过垂直于L方向上的面积元ds传递的热量为式中负号表示热量沿着温度降低的方向传递；是温度梯度；K为导热系数。对于一个厚度为h、面积为S的圆形板状的不良导体，若维持上、下面稳定的温度T1和T2,其侧面绝热，则在时间内t，沿着与S面垂直方向上传递的热量Q可表示为 （36b1）待测圆形板状不良导体用相同形状的铜板夹持，如图36a1所示。若要忽略侧面散热，应使h较小，因而做成薄圆形板状体。它和上下铜板密切接触，做到紧密吻合。只有这样，上下铜板的温度T1、T2就是待测不良导体上下面的温度。当温度稳定时，导热系数可以表示为tOTT2图36b2 （36b2）式中h、S、T1、T2均可测量。为待测不良导体的传热速率，在稳定传热状态下，可以认为它等于下铜板在温度为T2时，从下面和侧面向环境散热的速率。本实验用下铜板的冷却曲线来求散热速率，其方法如下：取出待测样品，使上下铜板直接接触一段时间后，再取走上铜板，让下铜板向环境散热，自然冷却。若这时下铜板通过上下两面和侧面的散热速率为，则 （36b3） ， （36b4）式中c和m为下铜板的比热和质量。作Tt冷却曲线如图36b2所示，在T2点取切线求出其斜率把（36b3）、（36b4）两式代入（36b2）式后得 （36b5）实验内容1测量上下铜板（实为圆柱体）的S和S侧，并称出其质量m。 2装好仪器，接通蒸汽发生器，观察上、下铜板的温度，等待温度稳定后，记录温度的数值T1，T2。3去掉待测样品，把上、下铜板直接接触，使下铜板温度升高10左右，然后去掉铜板，自然冷却，每隔30秒记录一次温度T，直至T1降到T2以下1012停止，重复三次。4在实验中应注意以下几点：（1）T1和T2达到稳定后再读数。（2）实验过程中不要移动下铜板，且使蒸汽发生器出口远离下铜板，以免影响环境温度。数据处理将测量数值填入自拟表格中，并做出下铜板自然冷却曲线，求得当TT2时斜率的值并将三次得到的取平均值，作为值，然后根据（36b5）式计算K值，并求出其百分误差。思考题1比较不良导体和良导体导热性的差别，说明其导热系数测量方法的异同。2在T t图上求时应该选取哪一点的斜率？为什么？3注意观察实验过程中环境温度的变化，研究它对实验结果的影响。4按照温度测量误差为0.05估计，并考虑其它测量值误差，估算实验误差范围。实验七 液体比热的测定实验目的1学会用比较测量法测液体的比热容。2用修正终止温度的方法进行散热修正。实验仪器相同的量热器两只，相同的电阻丝两只，温度计两只，物理天平，电源，变压器油（或甘油）等。R21RREKA图371实验原理1电流量热器法测量液体比热的方法有冷却法和电流量热器等多种方法。用已知比热容的水作为比较对象，在相同的外界条件下与待测物体进行比较测量的办法，就是比较测量法。实验室多采用此种方法。设有两个相同的量热器和，分别装有质量为m0和m0、比热容为Cx（待测液体）和C水的两种液体。液体中分别安置阻值相等的电阻R。如图371所示，联接电路，闭合开关K，电流通过电阻，根据焦耳楞次定律，各电阻产生的热量为 QI2Rt （371）式中I为电流强度，R为电阻，t为通电时间。设两量热器内圆筒、搅拌器、电阻丝和接线柱杆以及温度计浸入液体中，在t时间内吸收电阻R释放的热量Q1和Q2后，温度分别由t1和t2升高到t1 和t2，则有由于电阻R相同，并且采用串联连接，故有Q1Q2。即由此可得 （372）式中m1、m2、m3、m4及C1、C2、C3、C4分别为量热器中内圆筒、搅拌器、电阻丝和接线柱杆的质量和比热容。m1、m2、m3、m4及C1、C2、C3、C4分别为量热器中内圆筒、搅拌器、电阻丝和接线柱杆的质量和比热容。1.9 VJ/与1.9V J/分别表示温度计浸没在水中和待测液体中的比热容Cx。2散热修正方法修正终温实验上由于量热器升温过程中在不断地向外辐射热量，因而量热器的最高温度t1、t2 要比没有热散失的最高温度要低一些。为了消除或减少t1 和t2 散热损失带来的这一系统误差，需要对它进行修正。牛顿冷却规律指出在系统温度t与外界温度较小时，系统的散热速率与温度差（t）成正比，即 （373）式中K0和K 是由系统表面状态和比热容q所决定的常数（且KK0/q）。在变化时，t 时间内，由于散热引起的温度变化为 （374）t就是终止温度的修正值，所以求出t后即可按tt求出修正后的终止温度。设t1 和t2 的修正值分别为t1 和t2，则根据（4）式有 和 （375）通常是用图解法求（374）式的积分值。实验时从通电开始每一分钟测一次ti 和（室温）继续1020分钟，作ti 和图线分别为abd曲线和aef直线。如图372所示。求ti 可分两步进行：（1）求K值在t轴找出b、d两点的温度tb 和td 估算面积SB，则由（374）式得 （376）（2）求ti将K值和估计的面积SA代入（374）式得 tiKi SA （377）式中负号表示散热降低的温度，故修正后的终止温度为titi。实验内容用已知比热容的水作比较对象，用电流量热器测量变压器油（或甘油）的比热容。1测定两个量热器内圆筒、搅拌器、电阻丝及接线柱质量。将待测液体和清洁水分别装入量热器和的内圆筒中，并测定其质量m0及m0。2按照图371装好仪器，温度计最小刻度为 0.1（注意不要接触电阻R）。分别测量出倒入内圆筒内待测液体和水的初温t1和t2。3接通开关K，不断搅拌使量热器各处温度均匀。从通电开始每一分钟记一次t1、t2 和，断电后继续1015分钟。 f”0aeSASBbdt图3724测量温度计浸没在液体中的体积，查出有关的比热容。5为了消除误差，可将量热器中的电阻丝与R对调。按以上步骤，再重复的测一次，求平均值与标准值并作以比较。（注意对调R时，电阻丝要冲洗干净吹干）数据处理1作t1 ，和t2 ，图线。2用图解法求t1 和t2 及修正后的t1 和t2。3用有关的比热容，代入（372）式中求Cx。4重复测量数值，求出平均值并和标准数值作以比较。思考题1用比较法测量液体比热容的时候，应注意保证哪些条件？2为什么电流过大时或过小时都对实验结果有影响？3本实验用什么方法进行散热修正？实验八 沸点与压强的研究实验目的研究水的沸点随压强变化的规律K2K1DBE冷水出口冷水进口温度计AC图381实验仪器沸点与压强关系测定仪，机械泵压强计，高压锅，温度计（共用），滑轮，砝码，支架等。实验原理砝码K2温度计压强计图382在一定压强下，当液体加热到某一温度，液体内部的饱和汽压强和液体表面压强相等时，整个液体便剧烈汽化，称为沸腾，相应的温度称为沸点。液体沸腾的条件是p0p，p0为液体在一定温度下的饱和汽压强；p为外压强。液体表面压强增大时，沸点随之升高；液体表面压强减小时，沸点相应降低。当液体表面压强小于大气压强时，采用如图381所示的装置。机械泵E可降低密封系统ABCD内的压强。B为冷凝器，它可将A中的水蒸汽凝结成水再送入A中，从而使密闭系统的压强稳定在某一数值上。压强计D和温度计可测出沸腾时的压强和温度。当液体表面压强大于大气压强时，采用如图382所示的高压锅装置。高压锅内的压强由限压阀的压力所控制。当高压锅内气体压强增大到能顶起限压阀时，高压锅内液体开始沸腾。改变滑轮上所挂砝码的数值，就可以改变限压阀的压力，从而改变锅内饱和蒸汽的压强。这样测得不同外界压强下的数值，便得出液体表面压强大于大气时，沸点随外压强变化的规律。实验内容1液体表面压强小于大气压强时（1）按图381装好仪器，烧瓶A中装半瓶水，烧瓶和烧杯与塞子接触处及各橡胶管接头处都要用凡士林或者是用蜡封住。（2）打开阀门K1、K2，接通电源，对密闭系统抽气，当内外压强差达70cmHg时，关闭K1、K2，停止抽气。观察密封系统内压强是否稳定，如有漏气要检查出漏气点，重新密封后才能进行实验。（3