力學(xué)測量和熱學(xué)測量中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)軒植華省名師優(yōu)質(zhì)課賽課獲獎?wù)n件市賽課百校聯(lián)賽優(yōu)質(zhì)課一等獎?wù)n件

力學(xué)測量和熱學(xué)測量中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)軒植華1/52物理學(xué)是研究物質(zhì)運動、物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)科學(xué)，是最主要和最基本自然科學(xué)。研究主要路徑就是試驗，試驗主要伎倆是測量。所謂測量，就是將待測物某特征與被選作標(biāo)準(zhǔn)某物某個特征做比較。2/52伽利略開創(chuàng)了物理學(xué)，是力學(xué)測量集大成者1，用一個V型木槽和木球做斜面運動試驗，用水桶漏水量計量時間，測量加速度并推算重力加速度。2，用外推法和邏輯法得到慣性定律。3，注意到單擺等時性。4，改進望遠鏡并觀察月亮。5，創(chuàng)造和改進秤（杠桿法）。3/52細觀察，巧試驗，勤思索，

善推理，精演算傅科在教堂中發(fā)覺懸吊燈擺動面并非嚴(yán)格平面，這個面遲緩但不停地旋轉(zhuǎn)，燈繩長短不一樣，旋轉(zhuǎn)周期不一樣；緯度不一樣，周期也不一樣，在北極旋轉(zhuǎn)周期為24小時。望遠鏡是荷蘭一個眼鏡店學(xué)徒先發(fā)覺，伽利略解釋并改進。4/52一力學(xué)測量5/52確定物體位置、長度、速度、加速度、運動軌跡等屬于運動學(xué)測量；而了解物體運動與質(zhì)量和力關(guān)系，屬于動力學(xué)范圍；描述硬度、黏性、楊氏模量、表面張力系數(shù)等物質(zhì)特征，屬物性研究。

6/52這些測量又與質(zhì)量、時間等物理量親密相關(guān)。用儀器測量力學(xué)量量限向兩端延伸：質(zhì)量跨15個量級；力值跨16個量級；壓強跨14個量級。7/52測量方式由靜態(tài)測量到動態(tài)測量，在改變過程中實時測量，廣泛使用各種傳感器。在我們試驗課程中也學(xué)習(xí)傳感器測量較小物理量。8/52而對于天體位置、距離以及運動測量，則依據(jù)它們運動規(guī)律以及光譜進行間接測量。對物質(zhì)微觀粒子力學(xué)性質(zhì)測量，要用到光學(xué)、電磁學(xué)、原子以及核物理等伎倆進行間接測量。9/52力學(xué)測量中包括到杠桿原理（如天平試驗）阿基米德定律（流體靜力秤——測量密度）胡克定律（彈簧——測量液體表面張力）

10/52光線反射和折射定律（光杠桿——測量楊氏模量）干涉或衍射（牛頓環(huán)測量透鏡曲率半徑，測量細絲或狹縫寬度）多普勒效應(yīng)（測量速度和加速度）壓電效應(yīng)（應(yīng)用傳感器制作電子秤）等。

11/52要確定速度等力學(xué)量，還必須測量時間。從古代日晷、沙漏，到以擺動等時性為基礎(chǔ)機械式鐘表，到晶體震蕩為基礎(chǔ)石英鐘，一直到原子鐘，時間測量精度大大提高了。12/52在我們物理試驗課中，包括速度、加速度有氣墊導(dǎo)軌、單擺或物理擺、多普勒效應(yīng)等試驗，測量聲速試驗；還有測量密度、楊氏模量、粘滯性、表面張力等包括物質(zhì)性質(zhì)試驗；應(yīng)用傳感器測量質(zhì)量、微小形變等。13/52光速已經(jīng)是長度單位米定義原始米原器長度受溫度影響，不易復(fù)制1960年定義米長度為氪-862p10和5ds能級之間躍遷輻射在真空中波長1650763.73倍?，F(xiàn)在定義米長度為光在真空中（1/299792458）秒時間間隔內(nèi)所經(jīng)路徑長度。14/52強度調(diào)制光干涉法測量光速15/52將發(fā)光二極管紅光強度調(diào)制為50MHz微波信號；然后用分束鏡將光分為兩束，一束光強度調(diào)制信號輸入雙蹤示波器X端，另一束出射到空氣中并經(jīng)過可移動反射鏡反射回儀器內(nèi)，將它強度調(diào)制信號輸入到示波器Y端。16/52兩個相互垂直同頻率振動合成為李薩如圖（普通為橢圓、圓或直線）；經(jīng)過初始條件旋紐，使李薩如圖形為一直線；改變反射鏡位置，李薩如圖形將逐步成橢圓，其橢圓度和方位角也不停改變；17/52當(dāng)圖形再次成為直線（從一三象限變?yōu)槎南笙蓿?，光線在儀器外移動了調(diào)制信號半個波長，即反射鏡移動了四分之一波長。測量移動距離；波長與頻率乘積為光速。此法可得到四位有效數(shù)字。18/52用電阻應(yīng)變片制作電子秤傳感器性質(zhì)和應(yīng)用19/52P20/52金屬箔電阻應(yīng)變片貼牢在懸臂梁上下表面，懸臂梁遠端加砝碼使它彎曲，上表面受到拉伸，下表面受到壓縮。所以上表面電阻阻值變大，下表面電阻阻值變小。21/521敏感柵2引線3粘結(jié)劑4蓋層5基底22/5223/52分別將一個、兩個或四個電阻應(yīng)變片與固定電阻組成電橋（所謂單臂、半橋或全橋），以電壓表為平衡檢測器。未加砝碼時，調(diào)整電橋平衡，輸出電壓為零。伴隨負載增加，電橋不平衡性加大，電壓表讀數(shù)越大。24/52未加砝碼時，調(diào)整電橋平衡，輸出電壓為零。伴隨負載增加，電橋不平衡性加大，電壓表讀數(shù)越大。做M-U圖，是線性關(guān)系。測量未知質(zhì)量，從非平衡電壓值得到質(zhì)量。大質(zhì)量測量經(jīng)常采取這類傳感器。25/52二熱學(xué)測量26/5218世紀(jì)末到19世紀(jì)一百年左右，以蒸汽機創(chuàng)造和使用為標(biāo)志第一次工業(yè)革命極大地促進了熱（力）學(xué)發(fā)展。

27/52經(jīng)過幾十年科學(xué)試驗，尤其是準(zhǔn)確地測量了熱功當(dāng)量，人們認識到機械能、化學(xué)能、熱能和電磁能（以后還有原子能和核能）之間是能夠相互轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)換過程中總量守恒。28/52這就是熱力學(xué)第一定律。人類認識到能量轉(zhuǎn)換和守恒定律，其中焦耳貢獻是最大。對熱力學(xué)發(fā)展做出巨大貢獻還有卡諾、邁耶、亥姆霍茲、W.湯姆孫（開爾文勛爵）、克勞修斯、吉布斯、恩斯特等人。29/52人類生產(chǎn)、生活以及科學(xué)研究活動都證實了這是自然界中最根本規(guī)律。熱力學(xué)第二定律還指出了宇宙中一切宏觀過程發(fā)展改變方向，也即時間只能從過去到現(xiàn)在，再到未來方向。

30/52假如發(fā)覺有不符合這些定律數(shù)據(jù)或現(xiàn)象，一定是試驗做錯了或者是有待發(fā)覺新物質(zhì)形式或新相互作用。這是無數(shù)實踐證實了，也將指導(dǎo)人類今后活動。不消耗能量第一類永動機或從單一能源獲取能量第二類永動機是造不出來。31/52在改進熱機，提升熱機效率實踐中人們又逐步認識到，熱機效率不可能抵達百分之百。這又造成熱力學(xué)第二定律建立。

32/52即一切宏觀過程都是不可逆。熱力學(xué)箭頭和時間箭頭是一致。不過在微觀世界中，不論是經(jīng)典力學(xué)還是量子力學(xué)，運動方程都是時間對稱，即全部改變都可能反方向進行，過程是可逆。33/52假如摔碎水杯恢復(fù)原貌，灑到地上水聚攏起來，水杯又升高回到桌上，不會違反任何力學(xué)公式。從實踐中，我們知道這是不可能。這是物理學(xué)和哲學(xué)有意義和有趣問題。34/52在蒸汽機時代，因為科學(xué)發(fā)展局限，人們認為有一個無質(zhì)量物質(zhì)——熱質(zhì)——能夠自由地從高溫物體遷移到低溫物體，并在此“熱質(zhì)說”基礎(chǔ)上建立了量熱學(xué)、傳熱學(xué)。35/52當(dāng)代科學(xué)即使否定了熱質(zhì)說，然而因為量熱學(xué)、傳熱學(xué)等是建立在試驗基礎(chǔ)之上，能有效地描述宏觀熱現(xiàn)象。后人依然沿用“熱量”、“熱流”等術(shù)語.36/52溫度是描述物體冷熱程度物理量,它是物質(zhì)微觀粒子無規(guī)則運動動能大小標(biāo)志.熱學(xué)測量關(guān)鍵是對溫度測量.37/52在生產(chǎn)和生活中廣泛使用攝氏溫標(biāo),在物理學(xué)研究上使用熱力學(xué)溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)與壓強趨于零時理想氣體溫標(biāo)是一致。38/52溫度測量分為直接測量和間接測量.所謂直接測量,指測溫元件與被測對象直接接觸.慣用玻璃液體溫度計,金屬電阻溫度計,熱電偶,氣體溫度計等.

39/52間接測量是依據(jù)被測物輻射亮度,顏色和光譜等特征,非接觸地測量溫度（如恒星.溫度測量，煉鋼爐內(nèi)溫度測量等）

40/52熱力學(xué)量是物體微觀態(tài)宏觀表征。熱學(xué)量（如汽化熱、熔解熱、沸點、凝固點等測量）與物態(tài)改變（相變）親密相關(guān)。所以熱學(xué)測量對于研究物體微觀世界也有主要意義。41/52在我們試驗課中，要測量比熱容、汽化熱、熔解熱、導(dǎo)熱系數(shù)、氣體比熱容比等，還有測量電阻溫度系數(shù)并制作半導(dǎo)體溫度計等試驗。也有依據(jù)光譜特征測量黑體輻射溫度試驗。42/52測溫元件有液體玻璃溫度計、熱電偶、半導(dǎo)體溫度傳感器、電阻溫度計等。實例：不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)測量橡膠、木材、泡沫塑料等熱

不良導(dǎo)體，用于各種隔熱裝置43/52當(dāng)物體內(nèi)存在溫度梯度時，就有熱量從高溫出傳遞到低溫處。在單位時間內(nèi)經(jīng)過面積熱量正比于溫度梯度

44/52負號表示熱量從高溫流向低溫，就是導(dǎo)熱系數(shù)。式中是傳熱速率，是不輕易測量量。

45/52我們把單側(cè)表面積為S、厚度為h圓形薄板B兩面溫度維持在穩(wěn)定T1和T2（T1>T2）。薄板上表面與傳熱筒底部（T1）親密接觸，下表面與一個散熱黃銅盤A（T2）親密接觸（它們側(cè)面各有小孔，熱電偶插入其中測量溫度）。

46/52在穩(wěn)定傳熱條件下，可認為薄板傳熱速率與銅盤向環(huán)境散熱速率相等。

47/52所以可經(jīng)過銅盤在穩(wěn)定T2附近散熱速率求出薄板傳熱速率。裝置如圖。以下設(shè)法求出銅盤在T2附近散熱速率。48/52將熱電偶插入筒底部側(cè)面小孔以及通盤側(cè)面小孔，另一端插入杜瓦瓶中冰水混合物中。將樣品夾在傳熱筒底與銅盤A之間，使兩面接觸良好。49/52用調(diào)壓器調(diào)整紅外線燈加熱