PDF《实验指导书》

1 《 ― 热学 ―》 实验指导书李佳编写适用专业: 物理学 理工科类专业 云南民族大学电气信息工程学院

2013 年1月2前言本实验目的是加深对热传导、热膨胀、相变等热现象及规律的认识,掌握温 度等重要热参量的测量方法,学会正确使用温度计、热电偶、量热器等热学仪器, 在量热中懂得进行系统误差的修正.

通过本课程的学习,使学生在物理实验的基 本知识、基本方法和基本技能等方面受到较系统的训练,培养学生初步的实验能 力,养成良好的实验习惯以及严谨求实的科学作风提高学生科学实验的素质.物 理类专业可开设实十二个实验,理科类专业可选做实验一至九.实验验一到十二 为具体实验项目,实验十三至十五为综合设计性实验.

一、实验教学要求

1、掌握热学实验的基本测量方法及基本操作技能.

2、了解测量误差理论,具有正确处理实验数据的初步能力,能正确表示实验结果.

3、掌握用作图法、逐差法、外推法、补偿法、最小二乘法处理数据的方法.

4、学会使用基本物理实验仪器和装置,了解仪器原理和性能.

5、整个教学过程,要求学生在实验前了解实验目的和特点,在实验中认真地、有 条理地调节和测量,遵守操作规程,注意安全,如实地、正确地作实验记录;

实 验后按要求整理实验数据,养成良好的实验习惯和严谨的科学作风,特别是严肃 认真对待实验数据,杜绝弄虚作假,树立事实求是的科学态度和道德.能根据实 验要求写出规范的实验报告.

6、在进行实验的过程中,要重视对物理现象的观察和分析,引导学生运用理论. 去指导实践,解决实验中出现的问题.

二、对学生的指导和要求

(一)帮助学生掌握热学实验的基本知识、方法以及培养基本的实验技能,通过 研究一些基本的热学现象加强对热学理论的理解,提高对实验方法和技术的认识.

(二)1.每次实验前必须认真预习,预习不合格者不许做实验. 2.每次实验必须提前十分钟进实验室,实验中应遵守实验室各实验规则. 3.实验按分组名单分组,若不按要求者,取消实验资格. 4.实验结束后整理好仪器,并按要求打扫卫生后方可离去. 5.实验中若有特殊情况,则实验往后推移. 6.下一次实验前必须交实验报告(报告中必须附原始数据)不按时交者,实验报 告为不及格.

3 目录实验

一、 液体汽化热测量…1 实验

二、 金属线胀系数的测定…3 实验

三、 液体表面张力系数的测定…6 实验

四、 不良导体导热系数的测定…10 实验

五、 气体比热容比 CP/CV 的测定…17 实验

六、 冷却法测量金属的比热容21 实验

七、 混合法测金属比热…26 实验

八、 冰的熔解热的测定…31 实验

九、 落球法测量液体粘滞系数…35 实验

十、液体比热容的测量 (冷却法)

37 实验十

一、金属导热系数的测量…40 实验十

二、用电热法测量热功当量…44 实验十

三、水的沸点与压强关系的研究…47 实验十

四、温度传感器的特性及应用设计…51 实验十

五、用热敏电阻测温度的实验…55

1 实验一:液体汽化热测量 实验学时:2 学时 实验类型:验证 实验要求:必修

一、实验目的

1、用混合法测定水在大气压强下沸腾时的汽化热;

2、学习如何应用物态变化时的热交换定律来计算水的汽化热.

二、实验内容 测定水的汽化热.

三、实验原理、方法和手段 物质由液态向气态转化的过程称为汽化.在物质的自由表面上进行的汽化称为蒸发.如 果液体内部的饱和汽泡膨胀,以致上升到液体表面后破裂,这样的汽化过程称为沸腾. 液体温度升高到沸点后,在压强不变的条件下,再继续加热,其温度不再升高,所吸收 的热量全部用于使物体由液态变成气态所需要的能量.单位质量( kg

1 )的液体变成同温度的 蒸汽所需要的热量,叫做该液体在此温度下的汽化热. 物质由气态向液态转化的过程称为液化.液化时要放出在同一温度下汽化时所吸收的热 量.本实验就是从测量水蒸汽液化时放出的热量来测定水的汽化热. 实验装置如图

1 所示,蒸汽发生器产生的水蒸汽通过滤汽器进入量热器内的水中(滤汽 器的作用是防止水蒸汽从蒸汽发生器中出来后所带的水滴被带到量热器的水中) .设水蒸汽的 质量为 m ,沸点的温度为

2 t ,进入量热器中温度下降到θ ,而水蒸汽放出的热量使量热器整 体从温度

1 t 上升到θ .在此过程中水蒸汽放出的热量为: ) (

2 0 θ ? + t mc mL ,其中 L 为水在 沸点时的汽化热,

0 c 为水的比热容, 量热器整体吸收的热量为: ) )(

9 .

1 (

1 1

1 0

0 t V c m c m ? + + θ , 其中

0 m 为量热器中原有水的质量,

1 m 为量热器(包括搅拌器)的质量,

1 c 为量热器的比热 容,V 为温度计插入水中部分的体积,以3cm 为体积的单位.假设没有其它的热量损失,根 据热平衡方程 放吸QQ=,则有: ) ( ) )(

9 .

1 (

2 0

1 1

1 0

0 θ θ ? + = ? + + t mc mL t V c m c m (1) 即: ) ( ) ( )

9 .

1 (

1 2

0 1

1 1

0 0 θ θ ? ? ? + + = t c t V c m c m m L (2) 测量水的汽化热,要使误差小于 1%是很困难的.误差的主要来源是: (1)向量热器通蒸 汽时由管道传导的热量;

(2)蒸汽中带来的小水滴;

(3)量热器的散热.

2

四、实验组织运行要求 本实验以学生自主训练为主的开放模式组织教学

五、实验条件 蒸汽发生器、滤汽器、量热器、精密温度计(或数字温度计) 、量杯、物理天平

六、实验步骤

1、擦干净铜制的量热器和搅拌器,并用天平称出其质量

1 m ,然后在量热器中加入适量的 冷水(约为量热器高的

4 3 ) ,再称量其总质量,求出冷水的质量

0 m ,并测出冷水的温度

1 t .

2、在蒸汽发生器中加入

3 1 容量的水,按图

1 将仪器连接好,并加热.

3、将水烧至沸腾,当滤汽器 B 端有大量热汽喷出时,水蒸汽的温度即为水沸腾时的温度 (可近似认为是 100.0℃,即2t=100.0℃) ,将滤汽器 B 端迅速插入量热器的冷水中,同时用 搅拌器不停地轻轻搅拌,待水温升高约 10.0℃左右,切断电源,拔出插入量热器的 B 管.

4、测出量热器内水、汽混合的温度θ .

5、测出温度计插入水中部分的长度,计算出体积 l d V

2 4

1 π = .

6、称出量热器和水的总质量,求出水蒸汽的质量 m .

7、按式(2)计算水的汽化热,并与理论值相比较计算其相对误差. (水的汽化热的理论值为:

1 6

10 26 .

2 ? ? * = kg J L )

8、按上述步骤重复测量一次.

七、思考题

1、实验中,滤汽器所起的作用是什么?

2、本实验的误差来源主要有哪几个方面?

3、在实验操作中应该注意哪些问题?谈谈你完成实验后的体会.

八、实验报告 计算出水的汽化热,并进行误差分析. 图1汽化热测定仪 A B 滤汽器

3 实验二:金属线胀系数的测定 实验学时:2 学时 实验类型:验证 实验要求:必修

一、实验目的

1、掌握线胀系数的一种测定方法.

2、进一步掌握用光杠杆测定微小伸长的基本原理和方法.

3、学习用逐差法处理数据.

二、实验内容

1、测量铁、铜、铝棒的线膨胀系数;

2、分析影响测量精度的诸因素;

3、掌握使用千分表和温度控制仪的操作方法.

三、实验原理、方法和手段 FD-LEA 线膨胀系数测定仪是对固体线膨胀系数的一种直读式测定仪, 在大专院校的普通 物理实验教学中对物质的热胀冷缩的特性可做出定量考查,并可对金属的线膨胀系数做精确 测量计算.物质在一定温度范围内,原长为ι的物体受热后伸长量 l ? 与其温度的增加量 t ? 近 似成正比,与原长ι也成正比,即: l ? = t ? ? ?ι α .式中α为固体的线膨胀系数.实验证明: 不同材料的线膨胀系数是不同的. 可对已配备的实验铁棒、铜棒、铝棒进行测量并计算其线膨胀系数.

四、实验组织运行要求 本实验以学生自主训练为主的开放模式组织教学

五、实验条件 线膨胀系数测定仪、铜棒、铁棒等.

六、实验步骤 系数测试方法 (1) 接通电加热器与温控仪输入输出接口和温度传感器的航空插头;

(2) 旋松千分表固定架螺栓, 转动固定架至使被测样品(Ф8*400mm 金属棒)能插入紫铜管内, 再插入低导热体(不锈钢)用力压紧后转动固定架;

(3)安装千分表在固定架上,使千分表读数值在 0.2―0.4mm 处,固定架给予固定.然后稍 用力压一下千分表滑络端,使它能与绝热体有良好地接触,再转动千分表圆盘读数为零;

(4)接通温控仪的电源设定需加热的值,一般可分别增加温度为 20℃、30℃、40℃、50℃, 按确定键开始加热;

(5)当显示值上升到大于设定值,电脑自动控制到设定值,正常情况下在±0.30℃左右波动

一、二次,同学可以记录 t ? 和l?,并通过公式 l l t / ? ? = α 计算线膨胀系数并考查其线性情 况;

(6)换不同的金属棒样品,分别测量并计算各自的线膨胀系数,与理论参考值比较,考查误 差情况.

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七、思考题

1、测定线胀系数的方法有很多种,查阅相关的资料进行了解,并予以比较;

2、分析实验结果,找出此装置的局限性,考虑如何加以提高.

八、实验报告 计算出铜的线胀系数.

九、其它说明 仪器使用说明

1 电加热箱的结构和使用要求 结构如图 2-1: 图2-1 电加热箱结构示意图

1、托架

2、隔热盘 A

3、隔热顶........