大學(xué)物理實驗力學(xué)測量和熱學(xué)測量

1、力學(xué)測量和熱學(xué)測量中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 軒植華主要內(nèi)容1一、力學(xué)測量1二、熱學(xué)測量5主要內(nèi)容物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動、物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的科學(xué)，是最重要和最基本的自然科學(xué)。研究的主要途徑就是實驗，實驗的主要手段是測量。所謂測量，就是將待測物的某特性與被選作標(biāo)準(zhǔn)的某物的某個特性做比較。伽利略開創(chuàng)了物理學(xué)，是力學(xué)測量的集大成者1用一個V型木槽和木球做斜面運(yùn)動實驗，用水桶漏水量計量時間，測量加速度并推算重力加速度。2用外推法和邏輯法得到慣性定律。3注意到單擺的等時性。4改進(jìn)望遠(yuǎn)鏡并觀察月亮。5發(fā)明和改進(jìn)秤（杠桿法）。細(xì)觀察，巧實驗，勤思考，善推理，精演算傅科在教堂中發(fā)現(xiàn)懸吊的燈擺動的面并非嚴(yán)格的平面，這個面緩慢

2、但不斷地旋轉(zhuǎn)，燈繩長短不同，旋轉(zhuǎn)周期不同；緯度不同，周期也不同，在北極旋轉(zhuǎn)周期為24小時。望遠(yuǎn)鏡是荷蘭的一個眼鏡店學(xué)徒先發(fā)現(xiàn)，伽利略解釋并改進(jìn)。一、力學(xué)測量確定物體的位置、長度、速度、加速度、運(yùn)動軌跡等屬于運(yùn)動學(xué)測量；而了解物體運(yùn)動與質(zhì)量和力關(guān)系，屬于動力學(xué)范疇；描述硬度、黏性、楊氏模量、表面張力系數(shù)等物質(zhì)特性，屬物性研究。這些測量又與質(zhì)量、時間等物理量密切相關(guān)。用儀器測量力學(xué)量的量限向兩端延伸：質(zhì)量跨15個量級；力值跨16個量級；壓強(qiáng)跨14個量級。測量方式由靜態(tài)測量到動態(tài)測量，在變化過程中實時測量，廣泛使用各種傳感器。在我們的實驗課程中也學(xué)習(xí)傳感器測量較小的物理量。 而對于天體位置、距離以及

3、運(yùn)動的測量，則根據(jù)它們的運(yùn)動規(guī)律以及光譜進(jìn)行間接測量。對物質(zhì)微觀粒子力學(xué)性質(zhì)的測量，要用到光學(xué)、電磁學(xué)、原子以及核物理等手段進(jìn)行間接測量。力學(xué)測量中涉及到杠桿原理（如天平實驗）阿基米德定律（流體靜力秤測量密度）胡克定律（彈簧測量液體表面張力）光線反射和折射定律（光杠桿測量楊氏模量）干涉或衍射（牛頓環(huán)測量透鏡曲率半徑，測量細(xì)絲或狹縫寬度）多普勒效應(yīng)（測量速度和加速度）壓電效應(yīng)（應(yīng)用傳感器制作電子秤）等。要確定速度等力學(xué)量，還必須測量時間。從古代的日晷、沙漏，到以擺動的等時性為基礎(chǔ)的機(jī)械式鐘表，到晶體震蕩為基礎(chǔ)的石英鐘，一直到原子鐘，時間測量的精度大大提高了。在我們的物理實驗課中，涉及速度、加速度

4、的有氣墊導(dǎo)軌、單擺或物理擺、多普勒效應(yīng)等實驗，測量聲速的實驗；還有測量密度、楊氏模量、粘滯性、表面張力等涉及物質(zhì)性質(zhì)的實驗；應(yīng)用傳感器測量質(zhì)量、微小形變等。光速已經(jīng)是長度單位米的定義原始的米原器長度受溫度影響，不易復(fù)制1960年定義米的長度為氪-86的2p10和5ds 能級之間躍遷的輻射在真空中波長的1 650 763.73倍。 現(xiàn)在定義米的長度為光在真空中 （1/299 792 458）秒時間間隔內(nèi)所經(jīng)路徑的長度。強(qiáng)度調(diào)制光的干涉法測量光速將發(fā)光二極管的紅光的強(qiáng)度調(diào)制為50MHz的微波信號；然后用分束鏡將光分為兩束，一束光的強(qiáng)度調(diào)制信號輸入雙蹤示波器的X端，另一束出射到空氣中并經(jīng)過可移動反射

5、鏡反射回儀器內(nèi)，將它的強(qiáng)度調(diào)制信號輸入到示波器的Y端。兩個互相垂直的同頻率振動合成為李薩如圖（一般為橢圓、圓或直線）；通過初始條件旋紐，使李薩如圖形為一直線；改變反射鏡位置，李薩如圖形將逐漸成橢圓，其橢圓度和方位角也不斷變化；當(dāng)圖形再次成為直線（從一三象限變?yōu)槎南笙蓿?，光線在儀器外移動了調(diào)制信號的半個波長，即反射鏡移動了四分之一波長。測量移動的距離；波長與頻率的乘積為光速。此法可得到四位有效數(shù)字。用電阻應(yīng)變片制作電子秤傳感器的性質(zhì)和應(yīng)用金屬箔電阻應(yīng)變片貼牢在懸臂梁上下表面，懸臂梁遠(yuǎn)端加砝碼使它彎曲，上表面受到拉伸，下表面受到壓縮。所以上表面電阻阻值變大，下表面電阻阻值變小。 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意

6、圖1 敏感柵 2 引線 3 粘結(jié)劑 4 蓋層 5 基底分別將一個、兩個或四個電阻應(yīng)變片與固定電阻組成電橋（所謂單臂、半橋或全橋），以電壓表為平衡檢測器。未加砝碼時，調(diào)節(jié)電橋平衡，輸出電壓為零。隨著負(fù)載增加，電橋不平衡性加大，電壓表讀數(shù)越大。 未加砝碼時，調(diào)節(jié)電橋平衡，輸出電壓為零。隨著負(fù)載增加，電橋不平衡性加大，電壓表讀數(shù)越大。做M-U圖，是線性關(guān)系。測量未知質(zhì)量，從非平衡電壓值得到質(zhì)量。大質(zhì)量測量常常采用這類傳感器。二、熱學(xué)測量18世紀(jì)末到19世紀(jì)的一百年左右，以蒸汽機(jī)的發(fā)明和使用為標(biāo)志的第一次工業(yè)革命極大地促進(jìn)了熱（力）學(xué)的發(fā)展。 經(jīng)過幾十年的科學(xué)實驗，特別是精確地測量了熱功當(dāng)量，人們認(rèn)識

7、到機(jī)械能、化學(xué)能、熱能和電磁能（后來還有原子能和核能）之間是可以相互轉(zhuǎn)化的，在轉(zhuǎn)換過程中總量守恒。這就是熱力學(xué)第一定律。人類認(rèn)識到能量轉(zhuǎn)換和守恒定律，其中焦耳的貢獻(xiàn)是最大的。對熱力學(xué)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)的還有卡諾、邁耶、亥姆霍茲、W.湯姆孫（開爾文勛爵）、克勞修斯、吉布斯、恩斯特等人。人類的生產(chǎn)、生活以及科學(xué)研究活動都證實了這是自然界中最根本的規(guī)律。熱力學(xué)第二定律還指出了宇宙中一切宏觀過程發(fā)展變化的方向，也即時間只能從過去到現(xiàn)在，再到將來的方向。如果發(fā)現(xiàn)有不符合這些定律的數(shù)據(jù)或現(xiàn)象，一定是實驗做錯了或者是有待發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)形式或新的相互作用。這是無數(shù)實踐證實了的 ，也將指導(dǎo)人類今后的活動。不消耗能量

8、的第一類永動機(jī)或從單一能源獲取能量的第二類永動機(jī)是造不出來的。在改進(jìn)熱機(jī)，提高熱機(jī)效率的實踐中人們又逐漸認(rèn)識到，熱機(jī)效率不可能到達(dá)百分之百。這又導(dǎo)致熱力學(xué)第二定律的建立。 即一切宏觀過程都是不可逆的。熱力學(xué)箭頭和時間箭頭是一致的。但是在微觀世界中，無論是經(jīng)典力學(xué)還是量子力學(xué)，運(yùn)動方程都是時間對稱的，即所有變化都可能反方向進(jìn)行，過程是可逆的。如果摔碎的水杯恢復(fù)原貌，灑到地上的水聚攏起來，水杯又升高回到桌上，不會違反任何力學(xué)公式。從實踐中，我們知道這是不可能的。這是物理學(xué)和哲學(xué)的有意義和有趣的問題。在蒸汽機(jī)時代，由于科學(xué)發(fā)展的局限，人們認(rèn)為有一種無質(zhì)量的物質(zhì)熱質(zhì)可以自由地從高溫物體遷移到低溫物體，

9、并在此“熱質(zhì)說”的基礎(chǔ)上建立了量熱學(xué)、傳熱學(xué)。 現(xiàn)代科學(xué)雖然否定了熱質(zhì)說，然而由于量熱學(xué)、傳熱學(xué)等是建立在實驗基礎(chǔ)之上的，能有效地描述宏觀熱現(xiàn)象。后人仍然沿用“熱量”、“熱流”等術(shù)語。溫度是描述物體冷熱程度的物理量,它是物質(zhì)微觀粒子無規(guī)則運(yùn)動動能大小的標(biāo)志。熱學(xué)測量的關(guān)鍵是對溫度的測量。 在生產(chǎn)和生活中廣泛使用攝氏溫標(biāo),在物理學(xué)研究上使用熱力學(xué)溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)與壓強(qiáng)趨于零時的理想氣體溫標(biāo)是一致的。溫度的測量分為直接測量和間接測量.所謂直接測量,指測溫元件與被測對象直接接觸。常用玻璃液體溫度計,金屬電阻溫度計,熱電偶,氣體溫度計等。 間接測量是根據(jù)被測物輻射的亮度,顏色和光譜等特性,非接觸地測量

10、溫度。（如恒星.溫度的測量，煉鋼爐內(nèi)溫度的測量等） 熱力學(xué)量是物體微觀態(tài)的宏觀表征。熱學(xué)量（如汽化熱、熔解熱、沸點(diǎn)、凝固點(diǎn)等的測量）與物態(tài)變化（相變）密切相關(guān)。所以熱學(xué)測量對于研究物體的微觀世界也有重要意義。 在我們的實驗課中，要測量比熱容、汽化熱、熔解熱、導(dǎo)熱系數(shù)、氣體的比熱容比等，還有測量電阻的溫度系數(shù)并制作半導(dǎo)體溫度計等實驗。也有根據(jù)光譜特性測量黑體輻射溫度的實驗。測溫元件有液體玻璃溫度計、熱電偶、半導(dǎo)體溫度傳感器、電阻溫度計等。實例： 不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測量橡膠、木材、泡沫塑料等熱的不良導(dǎo)體，用于各種隔熱裝置當(dāng)物體內(nèi)存在溫度梯度時，就有熱量從高溫出傳遞到低溫處。在單位時間內(nèi)通過面積的熱

11、量正比于溫度梯度 負(fù)號表示熱量從高溫流向低溫，就是導(dǎo)熱系數(shù)。 式中是傳熱速率是不容易測量的量。 我們把單側(cè)表面積為S、厚度為h的圓形薄板B兩面的溫度維持在穩(wěn)定的T1和 T2（T1> T2）。薄板的上表面與傳熱筒的底部（T1）密切接觸，下表面與一個散熱黃銅盤A（T2）密切接觸（它們側(cè)面各有小孔，熱電偶插入其中測量溫度）。 在穩(wěn)定傳熱條件下，可認(rèn)為薄板傳熱速率與銅盤向環(huán)境的散熱速率相等。 因此可通過銅盤在穩(wěn)定的T2附近的散熱速率求出薄板的傳熱速率。裝置如圖。以下設(shè)法求出銅盤在T2附近的散熱速率。將熱電偶插入筒底部側(cè)面的小孔以及通盤側(cè)面的小孔，另一端插入杜瓦瓶中的冰水混合物中。將樣品夾在傳熱筒底與銅盤A之間，使兩面接觸良好 。用調(diào)壓器調(diào)節(jié)紅外線燈加熱器