力學(xué)測量和熱學(xué)測量課件

1、力學(xué)測量和熱學(xué)測量中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 軒植華物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、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(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(gè)特性做比較。一 力學(xué)測量確定物體的位置、長度、速度、加速度、運(yùn)動(dòng)軌跡等屬于運(yùn)動(dòng)學(xué)測量；而了解物體運(yùn)動(dòng)與質(zhì)量和力關(guān)系，屬于動(dòng)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(shí)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(gè)量級；力值跨16個(gè)量級；壓強(qiáng)跨14個(gè)量級。 而對于天體位置、距離以及運(yùn)動(dòng)的測量，則根據(jù)它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及

2、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(shí)驗(yàn)）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(shí)間。從古代的日晷、沙漏，到以擺動(dòng)的等時(shí)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(shí)間測量的精度大大提高了。在我們的物理實(shí)驗(yàn)課中，涉及速度、加速度的有氣墊導(dǎo)軌、單擺或物理擺、多

3、普勒效應(yīng)等實(shí)驗(yàn)，測量聲速的實(shí)驗(yàn)；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(shí)驗(yàn)；應(yīng)用傳感器測量質(zhì)量、微小形變等。P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(shí)驗(yàn)，特別是精確地測量了熱功當(dāng)量，人們認(rèn)識到機(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。人類的生產(chǎn)、生活以及科學(xué)研究活動(dòng)都證實(shí)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(shí)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)

4、或現(xiàn)象，一定是實(shí)驗(yàn)做錯(cuò)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(shí)踐證實(shí)了的 ，也將指導(dǎo)人類今后的活動(dòng)。不消耗能量的第一類永動(dòng)機(jī)或從單一能源獲取能量的第二類 永動(dòng)機(jī)是造不出來的。在改進(jìn)熱機(jī)，提高熱機(jī)效率的實(shí)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。 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(dòng)方程都是時(shí)間對稱的，即所有變化都可能反方向進(jìn)行，過程是可逆的。在蒸汽機(jī)時(shí)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，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)、

5、傳熱學(xué)等是建立在實(shí)驗(yàn)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(dòng)動(dòng)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(shí)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(jì),金屬電阻溫度計(jì),熱電偶,氣體溫度計(jì)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。 dSdxdTdtdQdtdQdtdQ我們把單側(cè)表面積為我們把單側(cè)表面積為S、厚度為、厚度為h的圓形的圓形薄板薄板B兩面的溫度維持在穩(wěn)定的兩面的溫度維持在穩(wěn)定的T1和和 T2（T1 T2）。薄板的上表面與傳熱筒的）。薄板的上表面與傳熱筒的底部（底部（T1）密切接觸，下表面與一個(gè)散）密切接觸，下表面與一個(gè)散熱黃銅盤熱黃銅盤A（T2）密切接觸（它們側(cè)面各）密切接觸（它們側(cè)面各有小孔，熱電偶插入其