力學測量和熱學測量中國科學技術大學軒植華省名師優(yōu)質課賽課獲獎課件市賽課百校聯(lián)賽優(yōu)質課一等獎課件

力學測量和熱學測量中國科學技術大學軒植華1/52物理學是研究物質運動、物質結構和性質科學，是最主要和最基本自然科學。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準某物某個特征做比較。2/52伽利略開創(chuàng)了物理學，是力學測量集大成者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格平面，這個面遲緩但不停地旋轉，燈繩長短不一樣，旋轉周期不一樣；緯度不一樣，周期也不一樣，在北極旋轉周期為24小時。望遠鏡是荷蘭一個眼鏡店學徒先發(fā)覺，伽利略解釋并改進。4/52一力學測量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測量；而了解物體運動與質量和力關系，屬于動力學范圍；描述硬度、黏性、楊氏模量、表面張力系數等物質特征，屬物性研究。

6/52這些測量又與質量、時間等物理量親密相關。用儀器測量力學量量限向兩端延伸：質量跨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習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，則依據它們運動規(guī)律以及光譜進行間接測量。對物質微觀粒子力學性質測量，要用到光學、電磁學、原子以及核物理等伎倆進行間接測量。9/52力學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（測量速度和加速度）壓電效應（應用傳感器制作電子秤）等。

11/52要確定速度等力學量，還必須測量時間。從古代日晷、沙漏，到以擺動等時性為基礎機械式鐘表，到晶體震蕩為基礎石英鐘，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、加速度有氣墊導軌、單擺或物理擺、多普勒效應等試驗，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性質試驗；應用傳感器測量質量、微小形變等。13/52光速已經是長度單位米定義原始米原器長度受溫度影響，不易復制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。現(xiàn)在定義米長度為光在真空中（1/299792458）秒時間間隔內所經路徑長度。14/52強度調制光干涉法測量光速15/52將發(fā)光二極管紅光強度調制為50MHz微波信號；然后用分束鏡將光分為兩束，一束光強度調制信號輸入雙蹤示波器X端，另一束出射到空氣中并經過可移動反射鏡反射回儀器內，將它強度調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字。18/52用電阻應變片制作電子秤傳感器性質和應用19/52P20/52金屬箔電阻應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粘結劑4蓋層5基底22/5223/52分別將一個、兩個或四個電阻應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，電壓表讀數越大。24/52未加砝碼時，調整電橋平衡，輸出電壓為零。伴隨負載增加，電橋不平衡性加大，電壓表讀數越大。做M-U圖，是線性關系。測量未知質量，從非平衡電壓值得到質量。大質量測量經常采取這類傳感器。25/52二熱學測量26/5218世紀末到19世紀一百年左右，以蒸汽機創(chuàng)造和使用為標志第一次工業(yè)革命極大地促進了熱（力）學發(fā)展。

27/52經過幾十年科學試驗，尤其是準確地測量了熱功當量，人們認識到機械能、化學能、熱能和電磁能（以后還有原子能和核能）之間是能夠相互轉化，在轉換過程中總量守恒。28/52這就是熱力學第一定律。人類認識到能量轉換和守恒定律，其中焦耳貢獻是最大。對熱力學發(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、生活以及科學研究活動都證實了這是自然界中最根本規(guī)律。熱力學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據或現(xiàn)象，一定是試驗做錯了或者是有待發(fā)覺新物質形式或新相互作用。這是無數實踐證實了，也將指導人類今后活動。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。這又造成熱力學第二定律建立。

32/52即一切宏觀過程都是不可逆。熱力學箭頭和時間箭頭是一致。不過在微觀世界中，不論是經典力學還是量子力學，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，不會違反任何力學公式。從實踐中，我們知道這是不可能。這是物理學和哲學有意義和有趣問題。34/52在蒸汽機時代，因為科學發(fā)展局限，人們認為有一個無質量物質——熱質——能夠自由地從高溫物體遷移到低溫物體，并在此“熱質說”基礎上建立了量熱學、傳熱學。35/52當代科學即使否定了熱質說，然而因為量熱學、傳熱學等是建立在試驗基礎之上，能有效地描述宏觀熱現(xiàn)象。后人依然沿用“熱量”、“熱流”等術語.36/52溫度是描述物體冷熱程度物理量,它是物質微觀粒子無規(guī)則運動動能大小標志.熱學測量關鍵是對溫度測量.37/52在生產和生活中廣泛使用攝氏溫標,在物理學研究上使用熱力學溫標。熱力學溫標與壓強趨于零時理想氣體溫標是一致。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，煉鋼爐內溫度測量等）

40/52熱力學量是物體微觀態(tài)宏觀表征。熱學量（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。所以熱學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、導熱系數、氣體比熱容比等，還有測量電阻溫度系數并制作半導體溫度計等試驗。也有依據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、半導體溫度傳感器、電阻溫度計等。實例：不良導體導熱系數測量橡膠、木材、泡沫塑料等熱

不良導體，用于各種隔熱裝置43/52當物體內存在溫度梯度時，就有熱量從高溫出傳遞到低溫處。在單位時間內經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，就是導熱系數。式中是傳熱速率，是不輕易測量量。

45/52我們把單側表面積為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面小孔以及通盤側面小孔，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用調壓器調整紅外線燈加熱