基础物理实验研究性报告热学系列

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1、基础物理实验研究性报告基础物理实验研究性报告热学系列实验第一作者：第二作者： 2012年12月15日摘要在基础实验中做了热学系列的两个实验后，深感数据处理计算难度之大。故此次研究性实验我选择了热学系列，对实验原理，实验装置以及后期的数据处理做了研究，并尝试利用现代技术手段和专业知识来解决实验问题与实际问题。关键词：热学，数据处理，现代技术，专业知识，实际问题目录1实验要求52实验原理52.1测定冰的熔解热实验52.1.1一般概念52.1.2装置简介62.1.3实验原理72.2电热法测量焦耳热功当量实验102.2.1一般说明102.2.2散热修正103实验仪器114实验内容114.1测定冰的熔解

2、热实验114.1.1合理选择实验参量114.1.2记录有关常数124.1.3测定实验过程中系统温度随时间的变化124.1.4数据处理134.2电热法测量焦耳热功当量实验134.2.1测量各种质量134.2.2测量时间-温度关系134.2.3测量加热器的电功率134.2.4数据处理145数据处理145.1原始数据145.1.1测定冰的熔解热实验145.1.2电热法测量焦耳热功当量实验155.2数据处理155.2.1测定冰的熔解热实验155.2.2电热法测量焦耳热功当量实验186对实验改进的探究216.1基础实验中的已有的改进216.1.1实验装置、原理及仪器的改进216.2可以继续改进的部分21

3、6.2.1对孤立系统的改进216.2.2对实验器材的建议227对大量数据处理的探究237.1利用Excel编程实现数据的统计处理237.1.1测定冰的熔解热实验237.1.2电热法测量焦耳热功当量实验247.2利用高级语言程序设计处理数据277.2.1测定冰的熔解热实验277.2.2电热法测量焦耳热功当量实验297.3对数据处理的分析：348总结358.1本次研究性实验总结与感想358.2对本学期基础物理实验课程的总结与感想358.3对本课程的小建议369.参考文献371实验要求1.1熟悉热学实验中的基本问题量热和计温；1.2研究电热法中作功与传热的关系；1.3学习两种进行散热修正的方法牛顿冷

4、却定律和一元线性回归法；1.4了解热学实验中合理安排实验和选择参量的重要性；1.5熟悉热学实验中基本仪器的使用。2实验原理2.1测定冰的熔解热实验2.1.1一般概念一定压强下晶体开始熔解时的温度，也就是该物质的固态和液态可以平衡共存的温度，称为该晶体物质在此压强下的熔点。对于晶体而言，熔解是组成物质的粒子由规则排列向不规则排列的过程，破坏晶体的点阵结构需要能量，因此，晶体在熔解过程中虽吸收能量，但其温度却保持不变。单位质量的晶体物质在熔点时从固态全部变成液态所需的热量，叫做该晶体物质的熔解潜热，亦称熔解热。本实验用混合量热法测定冰的熔解热。其基本做法如下：把待测系统A和一个已知热容的系统B混合

5、起来，并设法使它们形成一个与外界没有热量交换的孤立系统C（C=A+B）.这样A（或B）所放出的热量，全部为B(或A)所吸收。因为已知热容的系统在实验过程中所传递的热量Q，是可以由其温度的改变T和热容Cs计算出来，即Q=CsT，因此待测系统在实验过程中所传递的热量也就知道了。由此可见，保持系统为孤立系统，是混合量热法所要求的基本条件。这要从仪器装置、测量方法以及实验操作等各方面去保证。如果这样做以后，实验过程中与外界的热交换仍不能忽略，就要进行散热或吸热修正。温度是热学中的一个基本物理量，量热实验中必须测量温度。一个系统的温度，只有在平衡时才有意义，因此计温时必须使系统各处温度达到均匀。用温度计

6、的指示值代表系统温度，必须使系统与温度计之间达到热平衡。2.1.2装置简介为了使实验系统（包括待测系统与已知其热容的系统）成为一个孤立系统，本实验采用了量热器。热量传递有三种方式：传导、对流和辐射。因此，热学实验应使系统与环境之间的传导、对流和辐射都尽量简小，量热器可以近似满足这样的要求。量热器的种类很多，随测量的目的、要求、测量精度的不同而异，最简单的一种如图所示，它由良导体做成的内筒放在一较大的外筒中组成。通常在内筒中放水、温度计及搅拌器，它们（内筒、温度计、搅拌器及水）连同放进的待测物体就构成了我们所考虑的（进行实验的）系统，内筒、水、温度计和搅拌器的热容是可以计算出来或实测得到的，在此

7、基础上，就可以用混合法进行量热实验了。内筒置于一绝热架上，外筒用绝热盖盖住，因此空气与外界的对流很小，又因为空气是不良导体，所以内、外筒间靠传导方式传递的热量同样可以减至很小，同时由于内筒的外壁及外筒的内外壁都电镀得十分光亮，使得它们发射或接收辐射热的本领变得很小，于是试验系统和环境之间因辐射而产生的热量传递也得以减小，这样的量热器就可以使实验系统粗略地接近于一个孤立系统了。2.1.3实验原理若有质量为M、温度为T1的冰（在实验室环境下其比热容为c1，熔点为T0），与质量为m、温度为T2的水（比热容为c0）混合，冰全部熔解为水后的平衡温度为T3，设量热器的内筒和搅拌器的质量分别为m1、m2，比

8、热容分别为c1c2，温度计的热容为m。如果实验系统为孤立系统，将冰投入盛水的量热器中，则热平衡方程式为c1m(T0-T1)+ML+c0M(T3-T0)=(c0m+c1m1+c2m2+m)(T2-T3)式中，L为冰的熔解热。在本实验的条件下。冰的熔点也可认为是0，即T0=0，所以冰的熔解热为L=1M(c0m+c1m1+c2m2+m)(T2-T3)-c0T3+c1T1为了尽可能使系统与外界交换的热量达到最小，除了使用量热器以外，实验的操作过程中也必须予以注意，例如不应当直接用手去把握量热器的任何部分；不应当在阳光的直接照射下或空气流动太快的地方（如通风孔道、风扇旁边）进行实验；冬天要避免在火炉或暖

9、气旁做实验等。此外，由于系统与外界温度差越大时，在它们之间传递热量越快，而且时间越长，传递的热量越多，因此在进行量热实验时，要尽可能使系统与外界温度差小，并尽量使实验过程进行得迅速。尽管注意到了上述的各个方面，系统仍不可能完全达到绝热的要求（除非系统与环境的温度时时刻刻完全相同）。因此，在作精密测量时，就需要采用一些办法来求出实验过程中实验系统究竟散失或吸收了多少热量，从而对实验结果进行修正。一个系统的温度如果高于环境温度，它就要散失热量。实验证明，当温度差相当小时（例如不超过1015），散热速率与温度差成正比，此即牛顿冷却定律，用数学形式可写成qt=K(T-)式中q是系统散失的热量；t是时间

10、间隔；K是散热常数，与系统表面积成正比，并随表面的吸收或发射辐射热的本领而变；T、分别是所考虑的系统及环境的温度；qt称为散热速率，表示单位时间内系统散失的热量。下面介绍一种根据牛顿冷却定律粗略修正散热的方法。已知当T>时，qt>0，系统向外散热；当T<时，qt<0，系统从环境吸热。可以取系统的初温T2>，终温T3<，以设法使整个实验过程中系统与环境间的热量传递前后彼此抵消。考虑到实验的具体情况，刚投入冰时，水温高，冰的有效面积大，熔解快，因此系统表面温度T（即量热器中水温）降低较快；随后，随着冰的不断熔化，冰块逐渐变小，水温逐渐降低，冰熔解变缓，水温的降低

11、也就变慢起来。量热器中水温随时间变化曲线如图所示。实验过程中，即温度从T2到T3这段时间（t2t3）内系统与环境间交换的热量为q=t2t3KT-dt=Kt2tKT-dt+Ktt3KT-dt前一项T->0，系统散热对应于图中面积SA=t2tT-dt；后一项T-<0，系统吸热，对应面积SB=tt3T-dt。不难想见，面积SA与系统向外界散失的热量成正比，即q吸=KSB，K是散热常数。因此，只要SASB，系统对外界的吸热和散热就可以相互抵消。要使SASB，就必须使(T2-)>(-T3)，T2和T3的选取要在实验中根据具体情况选定。上述这种使散热与吸热相互抵消的做法，不仅要求水的初温