實(shí)驗(yàn)四固體比熱容的測量混合法

關(guān)于實(shí)驗(yàn)四固體比熱容的測量混合法第1頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)四、固體比熱容的測量（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)簡介

量熱器

實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)步驟思考第2頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.通過實(shí)驗(yàn)了解量熱器構(gòu)造，學(xué)習(xí)對實(shí)驗(yàn)環(huán)境的控制

2.掌握基本測量儀器使用，及正確合理地分析誤差。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通過實(shí)驗(yàn)了解量熱器構(gòu)造，學(xué)習(xí)對實(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.如何對實(shí)驗(yàn)過程中的吸熱、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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月第4頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

五、實(shí)驗(yàn)簡介

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)過多年的實(shí)驗(yàn)研究，人們精確地測定了熱功當(dāng)量，逐步認(rèn)識到不同性質(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)動的最根本的定律，成為19世紀(jì)人類最偉大的科學(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，不符合分子動理論的觀點(diǎn)，缺乏科學(xué)內(nèi)含。但這無損量熱學(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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

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。比熱容的測定對研究物質(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)造一個熱力學(xué)孤立體系，同時(shí)對實(shí)驗(yàn)過程中的其他吸熱、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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

六、量熱器

量熱器種類很多，因測量目的不同，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②和由良導(dǎo)體材料制成的內(nèi)筒①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⑥上，外筒口用膠木蓋⑤蓋住，膠木蓋的中央孔用來插溫度計(jì)③，旁邊的小孔用來插攪拌器④.量熱器這種內(nèi)外筒封閉結(jié)構(gòu)減少了對流和熱傳導(dǎo)，內(nèi)筒壁又很光潔減少了熱輻射，從而減少了筒內(nèi)液體與周圍環(huán)境的熱交換.第7頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

七、實(shí)驗(yàn)原理

1、熱平衡原理設(shè)一個熱力學(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，若無化學(xué)反應(yīng)或相變發(fā)生，則該體系獲得（或放出）的熱量為：

（1）

第8頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月2、混合法測比熱將質(zhì)量為m的待測金屬塊（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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月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）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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月4、系統(tǒng)誤差的修正在量熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中，由于無法避免系統(tǒng)與外界的熱交換，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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)縮短操作時(shí)間，將被測物體從沸水中取出，然后倒入量熱器筒中并蓋好的整個過程，動作要快而不亂，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)測出當(dāng)時(shí)的氣壓，再由氣壓與沸點(diǎn)的關(guān)系通過查表得出沸點(diǎn)的溫度。第13頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月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。被測物體放入量熱器后，水溫達(dá)到最高溫度前，整個系統(tǒng)還會向外散熱，所以理論上的末溫是無法得到的。這就需要通過實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行修正：在被測物體放入量熱器前4-5min就開始測度量熱器中水的溫度，每隔1min讀一次。當(dāng)被測物體放入后，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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

為了推出（3）式中的水的初溫度和混合后溫度，在圖中，對應(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，與此垂線分別相交于點(diǎn)E和點(diǎn)F，這兩個焦點(diǎn)的溫度坐標(biāo)可看成是理想情況下的和，即相當(dāng)于熱交換無限快時(shí)水的初溫與末溫。第15頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月八、實(shí)驗(yàn)步驟1.在電熱杯中加入四分之三的水，開始加熱。2.用分析天平稱量金屬塊的質(zhì)量m，5次。3.金屬塊的質(zhì)量稱量完畢后，放入電熱杯中加熱。4.稱出量熱器內(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)），稱量總質(zhì)量為(5次)，稱量完畢，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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月7.在燒杯中的水比室溫低3～4℃時(shí)，每隔一分鐘開始記錄溫度，過五分鐘后，把沸水中金屬塊（在沸水中已經(jīng)超過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）?；旌虾?，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。然后在溫度下降過程中，每隔一分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，下降過程測量記錄持續(xù)五分鐘。

第17頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月8.溫度計(jì)浸沒在水下的體積可用一個小量筒測得。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)的水銀泡一定要沒入水中，但又不能碰到金屬塊。）第18頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月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：測量引起的（人為，A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度）和儀器引起（系統(tǒng)，B類標(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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月因此

，，；

(如TW-05物理天平，)第20頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月,,

,第21頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月12.實(shí)驗(yàn)結(jié)果和其標(biāo)準(zhǔn)比熱比較，并求出相對誤差。13.數(shù)據(jù)記錄表格

a、稱量次數(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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月b、量熱器中水溫的記錄在水比室溫低于3～4℃時(shí)，開始記錄時(shí)間開始計(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，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月九、思考題

1、實(shí)驗(yàn)中采用什么實(shí)驗(yàn)條件來保障測比熱容的條件成立?

2、實(shí)驗(yàn)中質(zhì)量稱衡采用了精度較低的物理天平,為什么測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)一步提高測量精度可用什么方法?第24頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月附錄