熱功當(dāng)量試驗(yàn)

1、熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書,并測量熱功當(dāng)量。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?：1. 測量機(jī)械功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿哪芰渴睾愣?. 掌握熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的曲線校正方法、儀器設(shè)備 ：J-FR3型熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)儀、天平（ 50mg）及附件、燒杯、溫度計(jì)（ 0.10C ）、秒表、砝碼、鋼卷尺三、實(shí)驗(yàn)原理 ：J-FR3 型熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)儀的主要部分為兩個(gè)黃銅制成密切相合的圓錐體。外圓錐體直立于轉(zhuǎn)軸上，可由搖輪通過皮帶傳動(dòng)使其轉(zhuǎn)動(dòng)。并有記轉(zhuǎn)器與轉(zhuǎn)軸相聯(lián)。內(nèi)圓錐體系空心銅杯，可盛放水，上置大圓盤， 沿圓盤外周用軟線通過一小滑輪懸掛砝碼，使產(chǎn)生一力矩，以阻止內(nèi)圓錐體隨同外圓錐體轉(zhuǎn)動(dòng)。若此力矩與內(nèi)圓錐體間的摩擦力矩相等且作用方向相

2、反 時(shí)， 內(nèi)錐體將停留不轉(zhuǎn)動(dòng)， 砝碼亦懸空。 此種情 況下， 相當(dāng)于外錐體轉(zhuǎn)動(dòng)一樣。 砝碼下落所作的 功則完全消耗在克服內(nèi)外錐體間的摩擦， 故若圓 盤半徑為 R 外錐體轉(zhuǎn)動(dòng) n 轉(zhuǎn)相當(dāng)于砝碼下落 2 nR 假定砝碼質(zhì)量為 m 則砝碼下落所作之功，亦即 消耗在內(nèi)外錐體間的摩擦功為： 2 nRmg 此項(xiàng)摩擦消耗的功全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?其熱量可由 內(nèi)外錐體及杯內(nèi)所盛水的溫度變化量予以求算。四、實(shí)驗(yàn)步驟 ：1.熟悉儀器 ：先將大圓盤及內(nèi)外兩錐體取下，可看到外錐體底座有一缺口，安裝時(shí)可將錐體轉(zhuǎn)動(dòng)位置 待缺口對(duì)準(zhǔn)軸上的銷子， 錐體即座落在軸上， 扶正錐體并稍微向下壓緊即可。 裝上大圓盤處于近水平位置。 懸掛

3、砝碼鉤的線一端固定在圓盤邊上將線在盤周槽內(nèi)套一圈再跨過小滑輪，并使懸線與圓盤成正切。搖動(dòng) 搖輪，并一手拉住砝碼鉤，阻止圓盤及內(nèi)錐體隨同外錐體轉(zhuǎn)動(dòng)。試搖數(shù)轉(zhuǎn)后可加約100200 克砝碼，使在外錐體靜止時(shí)，能拖動(dòng)圓盤帶動(dòng)內(nèi)錐體轉(zhuǎn)動(dòng)。再徐徐搖動(dòng)搖輪，控制搖轉(zhuǎn)的速度，將能使砝碼懸掛在空 中不動(dòng)。適當(dāng)調(diào)節(jié)砝碼重量，至搖輪每分鐘約 60 轉(zhuǎn)較為適宜。2.記錄數(shù)據(jù) ： 室溫：由溫度計(jì)讀出； 圓盤周長：用圓盤上的線繞圓盤一周，用鋼卷尺測量細(xì)線的長度； 攪拌棒的質(zhì)量，內(nèi)、外圓錐體的質(zhì)量：由天平測出，記轉(zhuǎn)器初始值：注意左邊的計(jì)數(shù)盤每格為一轉(zhuǎn)，而左 邊的計(jì)數(shù)盤每格為 100 轉(zhuǎn)熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書用燒杯取大約 100

4、 的水（注意：水的溫度應(yīng)低于室溫大約10 度為宜，可用溫度計(jì)測量） .放于天平上稱出燒杯連同水的總質(zhì)量， 然后取下熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)儀的大圓盤， 將水加入到小圓錐體的小杯中， 至杯口 12 15為宜 然后稱出剩余水及燒杯的總質(zhì)量 并記錄兩次稱量的結(jié)果， 他們的差值即為我們 實(shí)驗(yàn)中注入水的質(zhì)量。3. 重新裝上大圓盤并插入溫度計(jì)并浸入水中央。用攪拌器輕輕上下攪動(dòng)，待溫度上長較為緩慢時(shí)，每 隔大約二分鐘記錄一次水的溫度，并注意記錄每一溫度相對(duì)應(yīng)的時(shí)間值（注意：在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中時(shí)間記 錄值為連續(xù)變變化值，秒表不可暫?；蚯辶悖?，一面觀察溫度計(jì)待水的溫度回升到較室溫低 2 度左右時(shí)， 即可開始實(shí)驗(yàn)。4. 隨即

5、搖動(dòng)手輪，控制搖輪速度，使砝碼保持在懸掛空中狀態(tài)，繼續(xù)不停搖轉(zhuǎn)，并不時(shí)攪動(dòng)攪拌器及 觀察溫度計(jì)并記錄每一時(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫度，每隔二、三分鐘記錄一次，待溫度計(jì)指示水溫已比室溫約高 2 度 時(shí)停止搖轉(zhuǎn)，一面繼續(xù)攪動(dòng)攪拌器并注意溫度計(jì)指示值的變化，停止搖轉(zhuǎn)后溫度仍會(huì)上升，將最高指示值 記下，記錄記轉(zhuǎn)器最后讀數(shù)。5. 不斷的用攪拌器攪拌水，每隔大約二分鐘記錄一次水的溫度，記錄五八組數(shù)據(jù)后才可停止6. 取下溫度計(jì)及大圓盤，取出內(nèi)外錐體，將錐體中的水倒入燒杯中，然后將燒杯中的水倒掉整理桌 面的儀器五、數(shù)據(jù)處理 ：1. 熱功當(dāng)量的計(jì)算 ：室溫： t t0內(nèi)錐體的質(zhì)量 W0外錐體的質(zhì)量 W1攪拌棒的質(zhì)量 W2開始

6、量取的冷水同燒杯的總質(zhì)量 所剩冷水同燒杯的總質(zhì)量 水的比熱 c1 1黃銅的比熱 c2 0.093實(shí)驗(yàn)開始時(shí)水的溫度 t1 實(shí)驗(yàn)終止時(shí)水的最高溫度 t2 則可計(jì)算出銅錐體及水等所吸收的熱量為：Q P2 P1 c1 W0 W1 W2 c2 t2 t1 實(shí)驗(yàn)開始時(shí)計(jì)轉(zhuǎn)器讀數(shù) n1實(shí)驗(yàn)終止時(shí)計(jì)轉(zhuǎn)器的讀數(shù)熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書圓盤的周長所懸掛砝碼的質(zhì)量 m重力加速度9.78則克服摩擦力所作的功為：A L n2 n1 mg 由此可計(jì)算得：A 熱功當(dāng)量： J AQ2. 實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的修正 實(shí)驗(yàn)開始前：在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備開始前約 10 分鐘就開始對(duì)錐體中的水的溫度進(jìn) 行測量，每 2 分鐘記錄一次時(shí)間和水的溫度，實(shí)驗(yàn)正式開

7、 始后，每 3 分鐘測量一次水的溫度，在實(shí)驗(yàn)停止后，也要 保持測量水的溫度約十分鐘以上，利用以上測量的結(jié)果作 溫度時(shí)間曲線，如圖所示，將溫度上長部分延長， 下降部分處長，然后通過室溫作平行于時(shí)間軸的直線 交于點(diǎn)，然后過點(diǎn)作溫度軸的平行線分別交、 的處長線于、點(diǎn)，則折線為校正后的 曲線，段為被測量的水在空氣中吸收熱量引起的溫度 上升，段表示由無限快的做功和熱傳遞把熱量傳遞給 水的過程，段表示由于水的溫度高于室溫所引起的放 熱則、點(diǎn)即為理論上做功起點(diǎn)的溫度值和作功結(jié)束時(shí)的溫度值故我們可以利用這兩點(diǎn)再次計(jì)算出熱 功當(dāng)量的值六、注意事項(xiàng)1. 搖動(dòng)搖輪時(shí)一定要?jiǎng)蛩伲形疬^快以免將細(xì)線拉斷。2. 小心使用

8、溫度計(jì)，輕拿輕放 . 凡打碎溫度計(jì)者將按儀器損壞賠償制度處罰，課堂實(shí)驗(yàn) 成績按零分計(jì)。熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書七、附錄：1.牛頓冷卻定律 在系統(tǒng)與環(huán)境溫度差不太大時(shí)， 可以采用牛頓冷卻定律來求出實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所散失或吸收 的熱量，實(shí)驗(yàn)證明：溫度差相當(dāng)小時(shí)，散熱速度與溫度差成正比，此即牛頓冷卻定律，用數(shù)學(xué)形式表 示可以寫成：其中 q是系統(tǒng)散失的熱量， t 是時(shí)間間隔，是一個(gè)常數(shù)（稱為散熱常數(shù)）與系統(tǒng)表面積成正比， 并隨著表面的吸收或發(fā)射輻射的本領(lǐng)而變；、 分別是我們考慮的系統(tǒng)及環(huán)境溫度， q 稱為散熱t(yī) 率，表示單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)散失的熱量2.科學(xué)家焦耳焦耳 1818 年 12月 24 日生于英國曼徹

9、斯特， 他的父親是一個(gè)釀酒廠主。 焦耳自幼跟隨父親參加釀酒勞動(dòng)， 沒有受過正規(guī)的教育。 青年時(shí)期， 在別人的介 紹下， 焦耳認(rèn)識(shí)了著名的化學(xué)家道爾頓。 道爾頓給予了焦耳熱情的教導(dǎo)。 焦耳向 他虛心學(xué)習(xí)了數(shù)學(xué)、哲學(xué)和化學(xué)，這些知識(shí)為焦耳后來的研究奠定了理論基礎(chǔ)。 而且道爾頓教誨了焦耳理論與實(shí)踐相結(jié)合的科研方法， 激發(fā)了焦耳對(duì)化學(xué)和物理 的興趣。1840 年，焦耳把環(huán)形線圈放入裝水的試管內(nèi)，測量不同電流強(qiáng)度和電 阻時(shí)的水溫 他發(fā)現(xiàn)： 導(dǎo)體在一定時(shí)間內(nèi)放出的熱量與導(dǎo)體的電阻及電流強(qiáng)度的 平方之積成正比。 該定律稱為焦耳 楞次定律。 上述實(shí)驗(yàn)也使焦耳想到了機(jī)械功 與熱的聯(lián)系，經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)、測量，焦耳

10、終于測出了熱功當(dāng)量，但結(jié)果并不精確。 1843 年 8 月 21 日在英國學(xué)術(shù)會(huì)上，焦耳報(bào)告了他的論文論電磁的熱效應(yīng)和熱的機(jī)械值 ，他在報(bào)告中說 1 千卡的 熱量相當(dāng)于 460 千克米的功。他的報(bào)告沒有得到支持和強(qiáng)烈的反響，這時(shí)他意識(shí)到自己還需要進(jìn)行更 精確的實(shí)驗(yàn)。1847 年，焦耳做了迄今人們認(rèn)為是設(shè)計(jì)思想最巧妙的實(shí)驗(yàn)： 他在量熱器里裝了水， 中間安上帶有 葉片的轉(zhuǎn)軸，然后讓下降重物帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，由于葉片和水的磨擦，水和量熱器都變熱了。根據(jù)重物 下落的高度，可以算出轉(zhuǎn)化的機(jī)械功；根據(jù)量熱器內(nèi)水升高的溫度，就可以計(jì)算水的內(nèi)能的升高值。 把這兩個(gè)數(shù)值進(jìn)行比較就可以求出熱功當(dāng)量的準(zhǔn)確值來。焦耳還用鯨魚油代替水來作實(shí)驗(yàn)，測得了熱 功當(dāng)量的平均值為 423.9 千克米 /千卡。接著又用水銀來代替水，不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，直到1878 年，這時(shí)距他開始進(jìn)行這一工作將近四十年了，他已前后用各種方法進(jìn)行了四百多次實(shí)驗(yàn)。他在 1849 年 用摩擦使水變熱的方法所得的結(jié)果跟 1878 年的是相同的，即為 423.9 千克米 /千卡。一個(gè)重要的物理 常數(shù)的測定，能保持三十年而不作較大的更正，這在物理學(xué)史上也是極為罕見的事。這個(gè)值當(dāng)時(shí)被大 家公認(rèn)為熱功當(dāng)量 J的值，它比現(xiàn)在 J的公認(rèn)值 427 千克米/千卡約小 0.7%。在當(dāng)時(shí)的條件下， 能做出這樣精確的