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1、关于实验四固体比热容的测量混合法第1页，讲稿共26张，创作于星期日实验四、固体比热容的测量（混合法）实验四、固体比热容的测量（混合法）实验目的实验目的实验内容实验内容实验重点实验重点实验仪器设备及材料实验仪器设备及材料实验简介实验简介 量热器量热器 实验原理实验原理实验步骤实验步骤思考思考第2页，讲稿共26张，创作于星期日一、实验目的一、实验目的 1.通过实验了解量热器构造，学习对实验环境的控制通过实验了解量热器构造，学习对实验环境的控制 2.掌握基本测量仪器使用，及正确合理地分析误差。掌握基本测量仪器使用，及正确合理地分析误差。二、实验内容二、实验内容 通过实验了解量热器构造，学习对实验环境
2、的控制通过实验了解量热器构造，学习对实验环境的控制三、实验重点三、实验重点 1.了解量热器的构造，如何保证量热器为孤立系统。了解量热器的构造，如何保证量热器为孤立系统。2.如何对实验过程中的吸热、散热做出校正，尽量使二如何对实验过程中的吸热、散热做出校正，尽量使二者相抵消，以提高实验的精度。者相抵消，以提高实验的精度。四、实验主要仪器设备及材料四、实验主要仪器设备及材料 金属块，分析天平，量热器金属块，分析天平，量热器，温度计，烧杯，水，电热，温度计，烧杯，水，电热杯，冰箱杯，冰箱,量筒量筒,搅拌器，秒表，镊子。搅拌器，秒表，镊子。第3页，讲稿共26张，创作于星期日第4页，讲稿共26张，创作于
3、星期日 五、实验简介五、实验简介 1919世纪，随着工业文明的建立与发展，特别是蒸汽机的世纪，随着工业文明的建立与发展，特别是蒸汽机的诞生，量热学有了巨大的进展。经过多年的实验研究，人诞生，量热学有了巨大的进展。经过多年的实验研究，人们精确地测定了热功当量，逐步认识到不同性质的能量们精确地测定了热功当量，逐步认识到不同性质的能量（如热能、机械能、电能等）之间的转化和守恒这一自然（如热能、机械能、电能等）之间的转化和守恒这一自然界物质运动的最根本的定律，成为界物质运动的最根本的定律，成为1919世纪人类最伟大的科世纪人类最伟大的科学进展之一。从今天的观点看，量热学是建立在学进展之一。从今天的观点
4、看，量热学是建立在“热量热量”或或“热质热质”的基础上的，不符合分子动理论的观点，缺乏科学的基础上的，不符合分子动理论的观点，缺乏科学内含。但这无损量热学的历史贡献。至今，量热学在物理学、内含。但这无损量热学的历史贡献。至今，量热学在物理学、化学、航空航天、机械制造以及各种热能工程、制冷工程中化学、航空航天、机械制造以及各种热能工程、制冷工程中都有广泛的应用。都有广泛的应用。第5页，讲稿共26张，创作于星期日 比热容是单位质量的物质升高（或降低）单位温度所吸比热容是单位质量的物质升高（或降低）单位温度所吸收（或放出）的热量。比热容的测定对研究物质的宏观物理收（或放出）的热量。比热容的测定对研究
5、物质的宏观物理现象和微观结构之间的关系有重要意义。现象和微观结构之间的关系有重要意义。本实验采用混合法测固体（锌粒）的比热容。在热学实验本实验采用混合法测固体（锌粒）的比热容。在热学实验中，系统与外界的热交换是难免的。因此要努力创造一个热力中，系统与外界的热交换是难免的。因此要努力创造一个热力学孤立体系，同时对实验过程中的其他吸热、散热做出校正，学孤立体系，同时对实验过程中的其他吸热、散热做出校正，尽量使二者相抵消，以提高实验精度。尽量使二者相抵消，以提高实验精度。第6页，讲稿共26张，创作于星期日 六、量热器六、量热器 量热器种类很多，因测量目的不同，有不同结构量热器种类很多，因测量目的不同
6、，有不同结构.本实验本实验如图所示：由绝热材料制成的外筒如图所示：由绝热材料制成的外筒和由良导体材料制成的和由良导体材料制成的内筒内筒构成构成.容纳液体的内筒固定在由保温材料构成的绝热容纳液体的内筒固定在由保温材料构成的绝热架架上，外筒口用胶木盖上，外筒口用胶木盖盖住，胶木盖的中央孔用来插盖住，胶木盖的中央孔用来插温度计温度计，旁边的小孔用来插搅拌器，旁边的小孔用来插搅拌器.量热器这种内外筒封量热器这种内外筒封闭结构减少了对流和热传导，内筒壁又很光洁减少了热辐射，从闭结构减少了对流和热传导，内筒壁又很光洁减少了热辐射，从而减少了筒内液体与周围环境的热交换而减少了筒内液体与周围环境的热交换.第7
7、页，讲稿共26张，创作于星期日 七、实验原理七、实验原理 1 1、热平衡原理、热平衡原理 设一个热力学孤立体系中有设一个热力学孤立体系中有n n种物质，其质量分别为种物质，其质量分别为 ，比热容为比热容为 （）。开始时体系处于平衡态，温度）。开始时体系处于平衡态，温度为为 ，与外界发生热量交换后又达到新的平衡态，温度为，与外界发生热量交换后又达到新的平衡态，温度为 ，若无化学反应或相变发生，则该体系获得（或放出）的热量，若无化学反应或相变发生，则该体系获得（或放出）的热量为：为：（1 1）第8页，讲稿共26张，创作于星期日 2 2、混合法测比热、混合法测比热 将质量为将质量为m m的待测金属块
8、（设其比热容为的待测金属块（设其比热容为c c），温度为），温度为 投入量热器内的水中。设量热器（包括量热器内筒、搅拌器投入量热器内的水中。设量热器（包括量热器内筒、搅拌器和温度计插入水中部分）的热容为和温度计插入水中部分）的热容为C C。水的质量为。水的质量为 ，比热，比热容为容为 。金属块投入水之前，水温为。金属块投入水之前，水温为 ，投入后其混合，投入后其混合温度为温度为 ，则在不计量热器与外界热交换的情况下，将，则在不计量热器与外界热交换的情况下，将存在下列关系：存在下列关系：（2 2）即即 （3 3）第9页，讲稿共26张，创作于星期日 3 3、量热器的热容、量热器的热容 量热器的热容
9、量热器的热容C C可以根据其质量和比热容算出。设量热器内可以根据其质量和比热容算出。设量热器内筒和搅拌器由相同的物质制成，其质量为筒和搅拌器由相同的物质制成，其质量为 ，比热容为，比热容为 ，则则 （4 4）式中式中 是温度计浸入到水中的部分的热容。是温度计浸入到水中的部分的热容。温度计的热容温度计的热容 可这样计算：水银温度汁由玻璃（密度可这样计算：水银温度汁由玻璃（密度 ，比热容为，比热容为 J/(kg)J/(kg)和水银（密度为和水银（密度为 ，比热容为，比热容为 J/(kg)J/(kg)），根据热容），根据热容 ，两者的，两者的比热容与密度的乘积基本相同，所以比热容与密度的乘积基本相同
10、，所以 第10页，讲稿共26张，创作于星期日 体积单位换算成立方厘米单位后，即为体积单位换算成立方厘米单位后，即为 （5 5）（5 5）式便是温度计浸入液体部分的对应的热容计算式。）式便是温度计浸入液体部分的对应的热容计算式。表示温度计热容表示温度计热容 是以是以J J 单位时的数值单位时的数值;表示温度计浸入液体部分的体积表示温度计浸入液体部分的体积 V V，以，以 为单位时为单位时的数值。的数值。第11页，讲稿共26张，创作于星期日 4 4、系统误差的修正、系统误差的修正 在量热学实验中，由于无法避免系统与外界的热交换，实在量热学实验中，由于无法避免系统与外界的热交换，实验结果总是存在系统
11、误差，有时甚至很大，以至无法得到正确验结果总是存在系统误差，有时甚至很大，以至无法得到正确结果。所以，校正系统误差是量热学实验中很突出的问题。为结果。所以，校正系统误差是量热学实验中很突出的问题。为此可采取如下措施：此可采取如下措施：(1)(1)要尽量减少与外界的热量交换，使系统近似孤立体系。此外，要尽量减少与外界的热量交换，使系统近似孤立体系。此外，量热器不要放在电炉旁和太阳光下，实验也不要在空气流通太量热器不要放在电炉旁和太阳光下，实验也不要在空气流通太快的地方进行。快的地方进行。(2)(2)采取补偿措施，就是在被测物体放入量热器之前，先使量采取补偿措施，就是在被测物体放入量热器之前，先使
12、量热器与水的初始温度低于室温，但避免在量热器外生成凝结热器与水的初始温度低于室温，但避免在量热器外生成凝结水滴。先估算，使初始温度与室温的温差与混合后末温高出水滴。先估算，使初始温度与室温的温差与混合后末温高出室温的温度大体相等。这样混合前量热器从外界吸热与混合室温的温度大体相等。这样混合前量热器从外界吸热与混合后向外界放热大致相等，极大地降低了系统误差。后向外界放热大致相等，极大地降低了系统误差。第12页，讲稿共26张，创作于星期日(3)(3)缩短操作时间，将被测物体从沸水中取出，然后倒缩短操作时间，将被测物体从沸水中取出，然后倒 入量热器筒中并盖好的整个过程，动作要快而不入量热器筒中并盖好
13、的整个过程，动作要快而不 乱，减少热量的损失。乱，减少热量的损失。(4)(4)严防有水附着在量热筒外面，以免水蒸发时带走过严防有水附着在量热筒外面，以免水蒸发时带走过 多的热量。多的热量。(5)(5)沸点的校正。在实验中，我们是取水的沸点为被测沸点的校正。在实验中，我们是取水的沸点为被测 物体加热后的温度，但压强不同，水的沸点也有所物体加热后的温度，但压强不同，水的沸点也有所 不同。为此需用大气压强计测出当时的气压，再由不同。为此需用大气压强计测出当时的气压，再由 气压与沸点的关系通过查表得出沸点的温度。气压与沸点的关系通过查表得出沸点的温度。第13页，讲稿共26张，创作于星期日 5 5、读数
14、规则、读数规则 采取以上系统误差的修正的操作措施后，散热的影响仍难以完采取以上系统误差的修正的操作措施后，散热的影响仍难以完全避免。被测物体放入量热器后，水温达到最高温度前，整个系全避免。被测物体放入量热器后，水温达到最高温度前，整个系统还会向外散热，所以理论上的末温是无法得到的。这就需要通统还会向外散热，所以理论上的末温是无法得到的。这就需要通过实验的方法进行修正：在被测物体放入量热器前过实验的方法进行修正：在被测物体放入量热器前4-5min4-5min就开始就开始测度量热器中水的温度，每隔测度量热器中水的温度，每隔1min1min读一次。当被测物体放入后，读一次。当被测物体放入后，温度迅速
15、上升，此时应每隔温度迅速上升，此时应每隔0.5min0.5min读一次。直到升温停止后，读一次。直到升温停止后，温度由最高温度均匀下降时，恢复每分钟记一次温度，直到温度由最高温度均匀下降时，恢复每分钟记一次温度，直到第第15min15min截止。由实验数据作出温度和时间的关系曲线。截止。由实验数据作出温度和时间的关系曲线。第14页，讲稿共26张，创作于星期日 为了推出（为了推出（3 3）式中的水的初温度）式中的水的初温度 和混合后温度和混合后温度 ，在图中，对应于室温在图中，对应于室温 曲线上之曲线上之G G点作一垂直与横轴的直线。点作一垂直与横轴的直线。然后将曲线上升然后将曲线上升ABAB部
16、分及下降部分部分及下降部分CDCD延长，与此垂线分别延长，与此垂线分别相交于点相交于点E E和点和点F F，这两个焦点的温度坐标可看成是理想，这两个焦点的温度坐标可看成是理想情况下的情况下的 和和 ，即相当于热交换无限快时水的初温，即相当于热交换无限快时水的初温与末温。与末温。第15页，讲稿共26张，创作于星期日八、实验步骤八、实验步骤1.1.在电热杯中加入四分之三的水，开始加热。在电热杯中加入四分之三的水，开始加热。2.2.用分析天平称量金属块的质量用分析天平称量金属块的质量m m，5 5次。次。3.3.金属块的质量称量完毕后，放入电热杯中加热。金属块的质量称量完毕后，放入电热杯中加热。4.
17、4.称出量热器内筒及搅拌器质量的质量称出量热器内筒及搅拌器质量的质量 ，5 5次。次。5.5.在量热器内筒盛适量的水和冰屑（量热器能容下这些水和金属在量热器内筒盛适量的水和冰屑（量热器能容下这些水和金属块，且不能使筒外表有水凝结），称量总质量为块，且不能使筒外表有水凝结），称量总质量为 (5(5次次)，称量完毕，内筒放在绝热架上，插好搅拌器和温度计，盖称量完毕，内筒放在绝热架上，插好搅拌器和温度计，盖好胶木盖。好胶木盖。6.6.水的质量水的质量 。第16页，讲稿共26张，创作于星期日7.7.在烧杯中的水比室温低在烧杯中的水比室温低3 344时，每隔一分钟开始记时，每隔一分钟开始记 录温度，录温
18、度，过五分钟后，把沸水中金属块（在沸水中已经超过过五分钟后，把沸水中金属块（在沸水中已经超过1515分钟，分钟，其温度为实验室压强下水的沸点温度）快速放入量热器中其温度为实验室压强下水的沸点温度）快速放入量热器中（注意：不能使量热器中水溅出，又切勿碰到温度计），立（注意：不能使量热器中水溅出，又切勿碰到温度计），立即将盖盖好并继续搅拌（注意：不能太使劲）。混合后，每即将盖盖好并继续搅拌（注意：不能太使劲）。混合后，每隔隔1 1秒记录一次数据（包括要记录达到室温时的时刻），秒记录一次数据（包括要记录达到室温时的时刻），直到温度达到最高。然后在温度下降过程中，每隔一分钟直到温度达到最高。然后在温度
19、下降过程中，每隔一分钟记录一次数据，下降过程测量记录持续五分钟。记录一次数据，下降过程测量记录持续五分钟。第17页，讲稿共26张，创作于星期日8.8.温度计浸没在水下的体积可用一个小量筒测得。先将水注入温度计浸没在水下的体积可用一个小量筒测得。先将水注入小量筒中，即下其体积，然后将温度计插入水中，使温度计小量筒中，即下其体积，然后将温度计插入水中，使温度计插入水中的体积与在量热筒中没入水中的体积相同（以从量插入水中的体积与在量热筒中没入水中的体积相同（以从量热筒中取出温度计上水印为准），读出液面升高后的体积，热筒中取出温度计上水印为准），读出液面升高后的体积，则温度计插入量热筒水中的体积则温度
20、计插入量热筒水中的体积 。（注意：实验中温度计的水银泡一定要没入水中，但又不能碰（注意：实验中温度计的水银泡一定要没入水中，但又不能碰到金属块。）到金属块。）第18页，讲稿共26张，创作于星期日9.9.查表得到实验气压条件下水的沸点查表得到实验气压条件下水的沸点 ，即为金属块投入量热，即为金属块投入量热器前的温度器前的温度 。10.10.作温度作温度-时间曲线，求出水的初温时间曲线，求出水的初温 和混合后温度和混合后温度 。11.11.根据式（根据式（3 3）求出金属物比热容）求出金属物比热容c c及其不确定度。及其不确定度。a.a.根据测量的平均值先计算平均金属物比热容根据测量的平均值先计算
21、平均金属物比热容c c：b.b.不确定度不确定度:不确定度包括两部分：测量引起的（人为，不确定度包括两部分：测量引起的（人为，A A类标准不确定类标准不确定度）和仪器引起（系统，度）和仪器引起（系统，B B类标准不确定度）。而（类标准不确定度）。而（3 3）式有）式有比值比值 ,温度引起不确定度可近似约掉，故可忽略。温度引起不确定度可近似约掉，故可忽略。第19页，讲稿共26张，创作于星期日因此因此 ，；(如如TW-05TW-05物理天平，物理天平，)第20页，讲稿共26张，创作于星期日 ,第21页，讲稿共26张，创作于星期日12.12.实验结果和其标准比热实验结果和其标准比热 比较，并求出相对
22、误差。比较，并求出相对误差。13.13.数据记录表格数据记录表格 a a、称量、称量次数1次2次3次4次5次(金属块)(量热器内筒、搅拌器和水)(量热器内筒和搅拌器)(水的质量)温度计进入水中的体积第22页，讲稿共26张，创作于星期日b b、量热器中水温的记录在水比室温低于、量热器中水温的记录在水比室温低于3 344时，开始时，开始记录记录时间开始计时1分钟2分钟3分钟4分钟5分钟混混合合5分1秒5分2秒记录时间5分几秒6分钟7分钟8分钟9分钟10分钟水温比室温低3至4室温最高第23页，讲稿共26张，创作于星期日九、思考题九、思考题1 1、实验中采用什么实验条件来保障测比热容的条件成立、实验中
23、采用什么实验条件来保障测比热容的条件成立?2 2、实验中质量称衡采用了精度较低的物理天平、实验中质量称衡采用了精度较低的物理天平,为什么测量温度为什么测量温度却采用分度值为却采用分度值为0.10.1的精密水银温度计的精密水银温度计?3 3、为了提高量热精度、为了提高量热精度,实验中采取了哪些措施实验中采取了哪些措施?若要进一步提高若要进一步提高测量精度可用什么方法测量精度可用什么方法?第24页，讲稿共26张，创作于星期日附录附录 水的沸点与压强的关系参考数据水的沸点与压强的关系参考数据D/mmHg380710720730740750760770780t/8198.198.598.999.399.6100100.4100.7D/mmHg760276037604760576010t/120133143152179第25页，讲稿共26张，创作于星期日感谢大家观看第26页，讲稿共26张，创作于星期日