實(shí)驗(yàn)四固體比熱容的測(cè)量混合法

1、關(guān)于實(shí)驗(yàn)四固體比熱容的測(cè)量混合法第1頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三實(shí)驗(yàn)四、固體比熱容的測(cè)量（混合法）實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及材料實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介 量熱器 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)步驟思考第2頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解量熱器構(gòu)造，學(xué)習(xí)對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的控制 2.掌握基本測(cè)量?jī)x器使用，及正確合理地分析誤差。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解量熱器構(gòu)造，學(xué)習(xí)對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的控制三、實(shí)驗(yàn)重點(diǎn) 1.了解量熱器的構(gòu)造，如何保證量熱器為孤立系統(tǒng)。 2.如何對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的吸熱、散熱做出校正，盡量使二者相抵消，以提高實(shí)驗(yàn)的精度。四、實(shí)驗(yàn)主要儀器

2、設(shè)備及材料 金屬塊，分析天平，量熱器 ，溫度計(jì)，燒杯，水，電熱杯，冰箱, 量筒, 攪拌器，秒表，鑷子。第3頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三第4頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三 五、實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介 19世紀(jì)，隨著工業(yè)文明的建立與發(fā)展，特別是蒸汽機(jī)的誕生，量熱學(xué)有了巨大的進(jìn)展。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)研究，人們精確地測(cè)定了熱功當(dāng)量，逐步認(rèn)識(shí)到不同性質(zhì)的能量（如熱能、機(jī)械能、電能等）之間的轉(zhuǎn)化和守恒這一自然界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的最根本的定律，成為19世紀(jì)人類(lèi)最偉大的科學(xué)進(jìn)展之一。從今天的觀點(diǎn)看，量熱學(xué)是建立在“熱量”或“熱質(zhì)”的基礎(chǔ)上的，不符合分子動(dòng)理論的觀點(diǎn)，缺乏科學(xué)內(nèi)含

3、。但這無(wú)損量熱學(xué)的歷史貢獻(xiàn)。至今，量熱學(xué)在物理學(xué)、化學(xué)、航空航天、機(jī)械制造以及各種熱能工程、制冷工程中都有廣泛的應(yīng)用。 第5頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三 比熱容是單位質(zhì)量的物質(zhì)升高（或降低）單位溫度所吸收（或放出）的熱量。比熱容的測(cè)定對(duì)研究物質(zhì)的宏觀物理現(xiàn)象和微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系有重要意義。 本實(shí)驗(yàn)采用混合法測(cè)固體（鋅粒）的比熱容。在熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)與外界的熱交換是難免的。因此要努力創(chuàng)造一個(gè)熱力學(xué)孤立體系，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的其他吸熱、散熱做出校正，盡量使二者相抵消，以提高實(shí)驗(yàn)精度。第6頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三 六、量熱器 量熱器種類(lèi)

4、很多，因測(cè)量目的不同，有不同結(jié)構(gòu).本實(shí)驗(yàn)如圖所示：由絕熱材料制成的外筒和由良導(dǎo)體材料制成的內(nèi)筒構(gòu)成.容納液體的內(nèi)筒固定在由保溫材料構(gòu)成的絕熱架上，外筒口用膠木蓋蓋住，膠木蓋的中央孔用來(lái)插溫度計(jì)，旁邊的小孔用來(lái)插攪拌器.量熱器這種內(nèi)外筒封閉結(jié)構(gòu)減少了對(duì)流和熱傳導(dǎo)，內(nèi)筒壁又很光潔減少了熱輻射，從而減少了筒內(nèi)液體與周?chē)h(huán)境的熱交換.第7頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三 七、實(shí)驗(yàn)原理 1、熱平衡原理 設(shè)一個(gè)熱力學(xué)孤立體系中有n種物質(zhì)，其質(zhì)量分別為 ，比熱容為 （ ）。開(kāi)始時(shí)體系處于平衡態(tài)，溫度為 ，與外界發(fā)生熱量交換后又達(dá)到新的平衡態(tài)，溫度為 ，若無(wú)化學(xué)反應(yīng)或相變發(fā)生，則該體

5、系獲得（或放出）的熱量為： （1） 第8頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三 2、混合法測(cè)比熱 將質(zhì)量為m的待測(cè)金屬塊（設(shè)其比熱容為c），溫度為 投入量熱器內(nèi)的水中。設(shè)量熱器（包括量熱器內(nèi)筒、攪拌器和溫度計(jì)插入水中部分）的熱容為C。水的質(zhì)量為 ，比熱容為 。金屬塊投入水之前，水溫為 ，投入后其混合溫度為 ，則在不計(jì)量熱器與外界熱交換的情況下，將存在下列關(guān)系： （2） 即 （3）第9頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三 3、量熱器的熱容 量熱器的熱容C可以根據(jù)其質(zhì)量和比熱容算出。設(shè)量熱器內(nèi)筒和攪拌器由相同的物質(zhì)制成，其質(zhì)量為 ，比熱容為 ，則 （4）

6、式中 是溫度計(jì)浸入到水中的部分的熱容。 溫度計(jì)的熱容 可這樣計(jì)算：水銀溫度汁由玻璃（密度 ，比熱容為 J/(kg)和水銀（密度為 ，比熱容為 J/(kg)），根據(jù)熱容 ，兩者的比熱容與密度的乘積基本相同，所以 第10頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三 體積單位換算成立方厘米單位后，即為 （5） （5）式便是溫度計(jì)浸入液體部分的對(duì)應(yīng)的熱容計(jì)算式。 表示溫度計(jì)熱容 是以J 單位時(shí)的數(shù)值; 表示溫度計(jì)浸入液體部分的體積 V ，以 為單位時(shí)的數(shù)值。第11頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三 4、系統(tǒng)誤差的修正 在量熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中，由于無(wú)法避免系統(tǒng)與外界的熱交換

7、，實(shí)驗(yàn)結(jié)果總是存在系統(tǒng)誤差，有時(shí)甚至很大，以至無(wú)法得到正確結(jié)果。所以，校正系統(tǒng)誤差是量熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中很突出的問(wèn)題。為此可采取如下措施：(1) 要盡量減少與外界的熱量交換，使系統(tǒng)近似孤立體系。此外，量熱器不要放在電爐旁和太陽(yáng)光下，實(shí)驗(yàn)也不要在空氣流通太快的地方進(jìn)行。(2) 采取補(bǔ)償措施，就是在被測(cè)物體放入量熱器之前，先使量熱器與水的初始溫度低于室溫，但避免在量熱器外生成凝結(jié)水滴。先估算，使初始溫度與室溫的溫差與混合后末溫高出室溫的溫度大體相等。這樣混合前量熱器從外界吸熱與混合后向外界放熱大致相等，極大地降低了系統(tǒng)誤差。第12頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三(3) 縮短操作時(shí)

8、間，將被測(cè)物體從沸水中取出，然后倒 入量熱器筒中并蓋好的整個(gè)過(guò)程，動(dòng)作要快而不 亂，減少熱量的損失。(4) 嚴(yán)防有水附著在量熱筒外面，以免水蒸發(fā)時(shí)帶走過(guò) 多的熱量。(5) 沸點(diǎn)的校正。在實(shí)驗(yàn)中，我們是取水的沸點(diǎn)為被測(cè) 物體加熱后的溫度，但壓強(qiáng)不同，水的沸點(diǎn)也有所 不同。為此需用大氣壓強(qiáng)計(jì)測(cè)出當(dāng)時(shí)的氣壓，再由 氣壓與沸點(diǎn)的關(guān)系通過(guò)查表得出沸點(diǎn)的溫度。第13頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三 5、讀數(shù)規(guī)則 采取以上系統(tǒng)誤差的修正的操作措施后，散熱的影響仍難以完全避免。被測(cè)物體放入量熱器后，水溫達(dá)到最高溫度前，整個(gè)系統(tǒng)還會(huì)向外散熱，所以理論上的末溫是無(wú)法得到的。這就需要通過(guò)實(shí)

9、驗(yàn)的方法進(jìn)行修正：在被測(cè)物體放入量熱器前4-5min就開(kāi)始測(cè)度量熱器中水的溫度，每隔1min讀一次。當(dāng)被測(cè)物體放入后，溫度迅速上升，此時(shí)應(yīng)每隔0.5min讀一次。直到升溫停止后，溫度由最高溫度均勻下降時(shí)，恢復(fù)每分鐘記一次溫度，直到第15min截止。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出溫度和時(shí)間的關(guān)系曲線。第14頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三 為了推出（3）式中的水的初溫度 和混合后溫度 ，在圖中，對(duì)應(yīng)于室溫 曲線上之G點(diǎn)作一垂直與橫軸的直線。然后將曲線上升AB部分及下降部分CD延長(zhǎng)，與此垂線分別相交于點(diǎn)E和點(diǎn)F，這兩個(gè)焦點(diǎn)的溫度坐標(biāo)可看成是理想情況下的 和 ，即相當(dāng)于熱交換無(wú)限快時(shí)水的初

10、溫與末溫。第15頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三八、實(shí)驗(yàn)步驟1.在電熱杯中加入四分之三的水，開(kāi)始加熱。2.用分析天平稱(chēng)量金屬塊的質(zhì)量m，5次。3.金屬塊的質(zhì)量稱(chēng)量完畢后，放入電熱杯中加熱。4.稱(chēng)出量熱器內(nèi)筒及攪拌器質(zhì)量的質(zhì)量 ，5次。5.在量熱器內(nèi)筒盛適量的水和冰屑（量熱器能容下這些水和金屬塊，且不能使筒外表有水凝結(jié)），稱(chēng)量總質(zhì)量為 (5次)，稱(chēng)量完畢，內(nèi)筒放在絕熱架上，插好攪拌器和溫度計(jì)，蓋好膠木蓋。6.水的質(zhì)量 。第16頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三7.在燒杯中的水比室溫低34時(shí)，每隔一分鐘開(kāi)始記 錄溫度，過(guò)五分鐘后，把沸水中金屬塊（在

11、沸水中已經(jīng)超過(guò)15分鐘，其溫度為實(shí)驗(yàn)室壓強(qiáng)下水的沸點(diǎn)溫度）快速放入量熱器中（注意：不能使量熱器中水濺出，又切勿碰到溫度計(jì)），立即將蓋蓋好并繼續(xù)攪拌（注意：不能太使勁）。混合后，每隔1秒記錄一次數(shù)據(jù)（包括要記錄達(dá)到室溫時(shí)的時(shí)刻），直到溫度達(dá)到最高。然后在溫度下降過(guò)程中，每隔一分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，下降過(guò)程測(cè)量記錄持續(xù)五分鐘。第17頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三8.溫度計(jì)浸沒(méi)在水下的體積可用一個(gè)小量筒測(cè)得。先將水注入小量筒中，即下其體積，然后將溫度計(jì)插入水中，使溫度計(jì)插入水中的體積與在量熱筒中沒(méi)入水中的體積相同（以從量熱筒中取出溫度計(jì)上水印為準(zhǔn)），讀出液面升高后的體積，則溫

12、度計(jì)插入量熱筒水中的體積 。 （注意：實(shí)驗(yàn)中溫度計(jì)的水銀泡一定要沒(méi)入水中，但又不能碰到金屬塊。）第18頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三9.查表得到實(shí)驗(yàn)氣壓條件下水的沸點(diǎn) ，即為金屬塊投入量熱器前的溫度 。10.作溫度-時(shí)間曲線，求出水的初溫 和混合后溫度 。11.根據(jù)式（3）求出金屬物比熱容c及其不確定度。a.根據(jù)測(cè)量的平均值先計(jì)算平均金屬物比熱容c：b. 不確定度: 不確定度包括兩部分：測(cè)量引起的（人為，A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度）和儀器引起（系統(tǒng)，B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度）。而（3）式有比值 ,溫度引起不確定度可近似約掉，故可忽略。 第19頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22

13、點(diǎn)13分，星期三因此 ， ， ； (如TW-05物理天平， )第20頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三 , , ,第21頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三12.實(shí)驗(yàn)結(jié)果和其標(biāo)準(zhǔn)比熱 比較，并求出相對(duì)誤差。13.數(shù)據(jù)記錄表格 a、稱(chēng)量次數(shù)1次2次3次4次5次(金屬塊)(量熱器內(nèi)筒、攪拌器和水)(量熱器內(nèi)筒和攪拌器)(水的質(zhì)量)溫度計(jì)進(jìn)入水中的體積第22頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三b、量熱器中水溫的記錄在水比室溫低于34時(shí)，開(kāi)始記錄時(shí)間開(kāi)始計(jì)時(shí)1分鐘2分鐘3分鐘4分鐘5分鐘混合5分1秒5分2秒記錄時(shí)間5分幾秒6分鐘7分鐘8分鐘9分鐘10分鐘水溫比室溫低3至4室溫最高第23頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)13分，星期三九、思考題1、實(shí)驗(yàn)中采用什么實(shí)驗(yàn)條件來(lái)保障測(cè)比熱容的條件成立?2、實(shí)驗(yàn)中質(zhì)量稱(chēng)衡采用了精度較低的物理天平,為什么測(cè)量溫度卻采用分度值為0.1的精密水銀溫度計(jì)?3、為了提高量熱精度,實(shí)驗(yàn)中采取了哪些措施?若要進(jìn)一步提高測(cè)量精度可用什么方法?第24頁(yè)，共26頁(yè)，2022年，5月