力學測量和熱學測量

力學測量和熱學測量第1頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日物理學是研究物質(zhì)運動、物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的科學，是最重要和最基本的自然科學。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準的某物的某個特性做比較。第2頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日伽利略開創(chuàng)了物理學，是力學測量的集大成者1，用一個V型木槽和木球做斜面運動實驗，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，改進望遠鏡并觀察月亮。

5，發(fā)明和改進秤（杠桿法）。第3頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日細觀察，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格的平面，這個面緩慢但不斷地旋轉(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。望遠鏡是荷蘭的一個眼鏡店學徒先發(fā)現(xiàn)，伽利略解釋并改進。第4頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日一力學測量第5頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日確定物體的位置、長度、速度、加速度、運動軌跡等屬于運動學測量；而了解物體運動與質(zhì)量和力關系，屬于動力學范疇；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。

第6頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日這些測量又與質(zhì)量、時間等物理量密切相關。用儀器測量力學量的量限向兩端延伸：質(zhì)量跨15個量級；力值跨16個量級；壓強跨14個量級。第7頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日測量方式由靜態(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習傳感器測量較小的物理量。第8頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日而對于天體位置、距離以及運動的測量，則根據(jù)它們的運動規(guī)律以及光譜進行間接測量。對物質(zhì)微觀粒子力學性質(zhì)的測量，要用到光學、電磁學、原子以及核物理等手段進行間接測量。第9頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日力學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）

第10頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日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，測量細絲或狹縫寬度）多普勒效應（測量速度和加速度）壓電效應（應用傳感器制作電子秤）等。

第11頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日要確定速度等力學量，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的機械式鐘表，到晶體震蕩為基礎的石英鐘，一直到原子鐘，時間測量的精度大大提高了。第12頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日在我們的物理實驗課中，涉及速度、加速度的有氣墊導軌、單擺或物理擺、多普勒效應等實驗，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；應用傳感器測量質(zhì)量、微小形變等。第13頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日光速已經(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

1650763.73倍?，F(xiàn)在定義米的長度為光在真空中（1/299792458）秒時間間隔內(nèi)所經(jīng)路徑的長度。第14頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日強度調(diào)制光的干涉法測量光速第15頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日將發(fā)光二極管的紅光的強度調(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)過可移動反射鏡反射回儀器內(nèi)，將它的強度調(diào)制信號輸入到示波器的Y端。第16頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日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；第17頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日當圖形再次成為直線（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。第18頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日用電阻應變片制作電子秤傳感器的性質(zhì)和應用第19頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日P第20頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日金屬箔電阻應變片貼牢在懸臂梁上下表面，懸臂梁遠端加砝碼使它彎曲，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。第21頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日1敏感柵2引線3粘結(jié)劑4蓋層5基底第22頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日第23頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日分別將一個、兩個或四個電阻應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。隨著負載增加，電橋不平衡性加大，電壓表讀數(shù)越大。第24頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日未加砝碼時，調(diào)節(jié)電橋平衡，輸出電壓為零。隨著負載增加，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。第25頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日二熱學測量第26頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日18世紀末到19世紀的一百年左右，以蒸汽機的發(fā)明和使用為標志的第一次工業(yè)革命極大地促進了熱（力）學的發(fā)展。

第27頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日經(jīng)過幾十年的科學實驗，特別是精確地測量了熱功當量，人們認識到機械能、化學能、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。第28頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日這就是熱力學第一定律。人類認識到能量轉(zhuǎn)換和守恒定律，其中焦耳的貢獻是最大的。對熱力學發(fā)展做出巨大貢獻的還有卡諾、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。第29頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日人類的生產(chǎn)、生活以及科學研究活動都證實了這是自然界中最根本的規(guī)律。熱力學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。

第30頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日如果發(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，也將指導人類今后的活動。不消耗能量的第一類永動機或從單一能源獲取能量的第二類永動機是造不出來的。第31頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日在改進熱機，提高熱機效率的實踐中人們又逐漸認識到，熱機效率不可能到達百分之百。這又導致熱力學第二定律的建立。

第32頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日即一切宏觀過程都是不可逆的。熱力學箭頭和時間箭頭是一致的。但是在微觀世界中，無論是經(jīng)典力學還是量子力學，運動方程都是時間對稱的，即所有變化都可能反方向進行，過程是可逆的。第33頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日如果摔碎的水杯恢復原貌，灑到地上的水聚攏起來，水杯又升高回到桌上，不會違反任何力學公式。從實踐中，我們知道這是不可能的。這是物理學和哲學的有意義和有趣的問題。第34頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日在蒸汽機時代，由于科學發(fā)展的局限，人們認為有一種無質(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”的基礎上建立了量熱學、傳熱學。第35頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日現(xiàn)代科學雖然否定了熱質(zhì)說，然而由于量熱學、傳熱學等是建立在實驗基礎之上的，能有效地描述宏觀熱現(xiàn)象。后人仍然沿用“熱量”、“熱流”等術語.第36頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日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)則運動動能大小的標志.熱學測量的關鍵是對溫度的測量.第37頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日在生產(chǎn)和生活中廣泛使用攝氏溫標,在物理學研究上使用熱力學溫標。熱力學溫標與壓強趨于零時的理想氣體溫標是一致的。第38頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日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.

第39頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日間接測量是根據(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）

第40頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日熱力學量是物體微觀態(tài)的宏觀表征。熱學量（如汽化熱、熔解熱、沸點、凝固點等的測量）與物態(tài)變化（相變）密切相關。所以熱學測量對于研究物體的微觀世界也有重要意義。第41頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日在我們的實驗課中，要測量比熱容、汽化熱、熔解熱、導熱系數(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。第42頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日測溫元件有液體玻璃溫度計、熱電偶、半導體溫度傳感器、電阻溫度計等。實例：不良導體導熱系數(shù)的測量橡膠、木材、泡沫塑料等熱的

不良導體，用于各種隔熱裝置第43頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日當物體內(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)通過面積的熱量正比于溫度梯度

第44頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日負號表示熱量從高溫流向低溫，就是導熱系數(shù)。式中是傳熱速率，是不容易測量的量。

第45頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日我們把單側(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）。

第46頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日在穩(wěn)定傳熱條件下，可認為薄板傳熱速率與銅盤向環(huán)境的散熱速率相等。

第47頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日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。以下設法求出銅盤在T2附近的散熱速率。第48頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日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。第49頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日用調(diào)壓器調(diào)節(jié)紅外線燈加熱器電壓，每2分鐘記錄傳熱筒底部的溫度T1和銅盤溫度