热功当量的测定实验报告.docx

为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划热功当量的测定实验报告　　实验名称热功当量的测量　　一、前言　　热量和功这两个物理量，实质上是以不同形式传递的能量，它们具有相同的单位，即能量的单位焦耳然而，在没有认识热的本质以前，历史上曾经对热量的计量另有规定热量的单位用卡路里，简称卡，1克纯水在1大气压下温度升高10C所吸收的热量为1卡焦耳认为热量和功之间应当有一定的当量关系，即热量的单位卡和功的单位焦耳间有一定的数量关系从1840年到1879年近40年的时间内，焦耳利用电热量热法和机械量热法进行了大量的实验，最终精确地求得了功和热量互相转换的数值关系—热功当量如果用W表示电功或机械功，用Q表示这一切所对应的热量，则功和热量之间的关系可写成W=JQ，J即为热功当量　　目前国际上对卡和焦耳的关系有两种规定：1热工程卡＝焦耳；1热化学卡＝焦耳国际上把“卡”仅作为能量的一种辅助单位，并建议一般不使用“卡”国际单位制规定，功、能和热量一律使用焦耳为单位虽然热功当量的数值现已逐渐为人们所少用，但是，热功当量的实验及其在物理学发展史上所起的作用是不可磨灭的。

焦耳的热功当量实验为能量转化与守恒定律奠定了坚实的实验基础　　本实验采用焦耳曾经做过的电热法来测定热功当量　　二、教学目标　　1、了解电流作功与热量的关系,用电热法测定热功当量　　2、了解热量损失的修正方法　　三、教学重点　　1、了解电流作功与热量的关系　　四、教学难点　　1、正确读取温度的方法和时机　　五、实验原理　　1、用电热法来测定热功当量　　如果加在加热器两端的电压为U,通过加热器的电流为I,电流通过时间为t,则电流作功为：　　W?IUt　　如果这些功全部转化为热量，此热量用量热器测出，则可求出热功当量　　设m1表示量热器内圆筒质量，C1表示其比热m2表示铜电极和铜搅拌器的质量，C2表示其比热m3表示量热器内圆筒中水的质量，C3表示水的比热，T1和T2表示量热器内圆筒及圆筒中水的初始温度和终末温度，那么量热器内圆筒及圆筒中的水等所吸收的热量Q为　　Q??mC11?m2C2?m3C3??T2?T1?　　如果过程中没有热量散失，电功W用焦耳(J)作单位，热量Q的单位用卡(cal)时，则有　　W?JQ　　式中，J为热功当量，由上式可得测量J的理论公式：　　J?WIUt?(J/cal)Q(m1c1?m2c2?m3c3)(T2?T1)　　2、散热修正　　上述讨论是假定量热器与外界无热量交换时的结论，实际上只要有温度的差异就必然要有热交换存在。

本实验中热量的散失主要是蒸汽通入盛有水的量热器中，混合过程中量热器向外散失的热量，因此需要进行散热修正在系统与环境的温差不大时，一般依据牛顿冷却定律进行粗略的散热修正，即抵偿法其基本思想是设法使系统在实验过程中能从外界吸热以补偿散热损失　　牛顿冷却定律指出，系统的温度TS如果略高于环境温度?，系统热量的散热速率与温度差成正比，数学表达式为dQdt?K(TS??)，其中K为散热常数，与量热器表面积成正比并随表面吸收或发射热辐射的本领而变，所以在实验过程中系统吸热或散热的多少主要由温度差决定　　一般情况下，选择系统的初温T1和末温T2与环境温度?之差近似相等，即??T1?T2??，这样即可粗略的使散热得以补偿本实验为使系统的初温T1??，量热　　器需预装温度低于室温的水，通过控制所用水的质量和电加热时间，满足抵偿法条件，使实验过程中系统对外界的吸热和散热相互抵消，从而获得良好的实验结果　　六、实验仪器　　DW-1电阻丝量热器、DM-A2数字电流表、物理天平、DM-T数字温度计、DM-V4数字电压表、WYT-20直流稳压电源、秒表、滑线变阻器、开关　　仪器装置如图1所示，M与B分别为量热器的内外两　　个圆筒，C为绝缘层，D为绝缘盖，J为两个铜金属棒，用　　以引入加热电流，F是绕在绝缘材料上的加热电阻丝，G是　　搅拌器，H为温度计，E为稳压电源。

　　七、实验内容与步骤　　1、记录室温?　　2、用天平称量热器内筒质量m1图1电热法测量热功当量的实验装置图　　3、内筒中装入适量的预先备好的冷水，用天平称得内筒和水的质量m1+m3　　4、将内筒放入外筒，电阻丝、搅拌器放入水中，盖上盖板，按图1连好电路　　5、插好温度计，记录稳定后的初始温度T1　　6、估算终末平衡温度??=2??T1此值在以下操作中做参考用　　7、调电源电压，输出为伏左右，闭合开关同时启动秒表记时，并迅速调节变阻器使电流在700~900mA以后要随时观察电流表和调整变阻器，使电流值保持稳定通电过程中，不断轻微搅拌水，以加速热传导读出电流表和电压表的示数并记录　　8、通电15分钟左右，当温度接近估算的平衡温度??时，断开开关，并同时停止计时继续搅拌水并观察温度计示数，待温度随“热惯性”升至最高值时，即为实测的平衡温度T2记录加热时长t、末温T2　　9、实验完毕，整理仪器，处理数据　　八、数据表格及数据处理　　1、实验数据表格　　表1　　2、计算热功当量及其相对误差　　(1)已知参数　　铜电极和铜搅拌器的质量：m2=；铜比热容：C2=?103cal/(Kg·℃)；水比热容：C3=?103cal/(Kg·℃)；玻璃比热容：C1=?103cal/(Kg·℃)；热功当量公认值：J=(J/cal)　　(2)热功当量的实验值：　　J?WIUt??(J/cal)Q(m1c1?m2c2?m3c3)(T2?T1)　　(3)热功当量的相对误差：　　??J?J公?100%=%J公　　九、指导要点及注意事项　　1、严守天平的操作规则。

　　2、数字温度计要浸入水中，但又不能触及电热丝，也不要插得很深　　3、电路接好后，须经指导教师检查无误后，才能接通电源，注意电表的正负极性不要接反　　4、只有当电热丝浸入在水中才能通电，否则，电热丝可能会被烧坏　　5、实验完毕立即将杯中的水倒掉，以免腐蚀电极　　十、实验管理和成绩记载　　1、实验管理　　(1)预习检查：检查学生的学生证，检查学生预习报告并签字，随机提问检查学生的预习情况无预习报告或预习检查不合格的学生取消当堂课实验资格，重新预约该实验　　(2)操作管理：巡回检查学生的实验操作和实验数据记录情况，及时发现、指导、解决学生在实验操作中遇到的问题，检查完成实验学生的数据记录并签字；对在1小时左右完成实验的学生进行认真的检查并要求其完成实验的选做内容　　(3)实验报告批改：要求学生认真作好实验报告，并于实验后一周内交给任课教师(地点：主教学楼1楼走廊信箱)；及时批改学生的实验报告，作好成绩记载并及时发还给学生　　2、成绩记载　　平时成绩：实验操作60%；实验报告40%；及时在实验预约单上记载平时成绩综合成绩：平时成绩60%；考试成绩40%　　十一、实验思考题　　1、如果实验过程中加热电流发生了微小波动，是否会影响测量的结果？为什么？　　2、如何检查天平的两臂长度是否相等?如果天平不等臂，该怎样测定物体的质量？　　3、实验过程中量热器不断向外界传导和辐射热量。

这两种形式的热量损失是否会引起系统误差？为什么？　　十二、教学后记　　热功当量实验指导书　　一、实验目的：　　1.测量机械功转变为热能的能量守恒定律,并测量热功当量2.掌握热力学实验结果的曲线校正方法．　　二、仪器设备：　　J-FR3型热功当量实验仪、天平及附件、烧杯、温度计、秒表、砝码、钢卷尺．　　三、实验原理：　　J-FR3型热功当量实验仪的主要部分为两个黄铜制成密切相合的圆锥体外圆锥体直立于转轴上，可由摇轮通过皮带传动使其转动并有记转器与转轴相联内圆锥体系空心铜杯，可盛放水，上置大圆盘，沿圆盘外周用软线通过一小滑轮悬挂砝码，使产生一力矩，以阻止内圆锥体随同外圆锥体转动若此力矩与内圆锥体间的摩擦力矩相等且作用方向相反时，内锥体将停留不转动，砝码亦悬空此种情况下，相当于外锥体转动一样砝码下落所作的功则完全消耗在克服内外锥体间的摩擦，故若圆盘半径为R外锥体转动n转相当于砝码下落　　2?nR　　假定砝码质量为m则砝码下落所作之功，亦即消耗在内外锥体间的摩擦功为：　　2?nRmg　　此项摩擦消耗的功全部转变为热能其热量可由内外锥体及杯内所盛水的温度变化量予以求算　　四、实验步骤：　　1.熟悉仪器：先将大圆盘及内外两锥体取下，可看到外锥体底座有一缺口，安装时可将锥体转动位置待缺口对准轴上的销子，锥体即座落在轴上，扶正锥体并稍微向下压紧即可。

装上大圆盘处于近水平位置悬挂砝码钩的线一端固定在圆盘边上将线在盘周槽内套一圈再跨过小滑轮，并使悬线与圆盘成正切摇动摇轮，并一手拉住砝码钩，阻止圆盘及内锥体随同外锥体转动试摇数转后可加约100－200克砝码，使在外锥体静止时，能拖动圆盘带动内锥体转动再徐徐摇动摇轮，控制摇转的速度，将能使砝码悬挂在空中不动适当调节砝码重量，至摇轮每分钟约60转较为适宜2.记录数据：室温：由温度计读出；　　圆盘周长：用圆盘上的线绕圆盘一周，用钢卷尺测量细线的长度；　　搅拌棒的质量，内、外圆锥体的质量：由天平测出，记转器初始值：注意左边的计数盘每格为一转，而左边的计数盘每格为100转．　　用烧杯取大约100ｍｌ的水.放于天平上称出烧杯连同水的总质量，然后取下热功当量实验仪的大圆盘，将水加入到小圆锥体的小杯中，至杯口12～15ｍｍ为宜．然后称出剩余水及烧杯的总质量．并记录两次称量的结果，他们的差值即为我们实验中注入水的质量3.　　重新装上大圆盘并插入温度计并浸入水中央用搅拌器轻轻上下搅动，待温度上长较为缓慢时，每　　壱　　隔大约二分钟记录一次水的温度，并注意记录每一温度相对应的时间值，一面观察温度计待水的温度回升到较室温低2度左右时，即可开始实验。

4.随即摇动手轮，控制摇轮速度，使砝码保持在悬挂空中状态，继续不停摇转，并不时搅动搅拌器及观察温度计并记录每一时刻对应的温度，每隔二、三分钟记录一次，待温度计指示水温已比室温约高2度时停止摇转，一面继续搅动搅拌器并注意温度计指示值的变化，停止摇转后温度仍会上升，将最高指示值记下，记录记转器最后读数5.不断的用搅拌器搅拌水，每隔大约二分钟记录一次水的温度，记录五～八组数据后才可停止．6.取下温度计及大圆盘，取出内外锥体，将锥体中的水倒入烧杯中，然后将烧杯中的水倒掉．整理桌面的仪器．　　五、数据处理：　　1.热功当量的计算：室温：t0?℃内锥体的质量W0?外锥体的质量W1?搅拌棒的质量W2?　　开始量取的冷水同烧杯的总质量Ｐ１＝所剩冷水同烧杯的总质量Ｐ２＝水的比热c1?1黄铜的比热c2?实验开始时水的温度t1?实验终止时水的最高温度t2?　　则可计算出铜锥体及水等所吸收的热量为：　　Q???P2?P1?c1??　　W0?W1?W2?c2???t2?t1?实验开始时计转器读数n1实验终止时计转器的读数n2圆盘的周长Ｌ　　所悬挂砝码的质量m重力加速度g?　　则克服摩擦力所作的功为：　　A?L?n2?n1?mg　　弐　　由此可计算得：热功当量：J?　　AQ　　2.实验测量结果的修正：实验开始前：　　实验终止后：　　在实验准备开始前约10分钟就开始对锥体中的水的温度进行测量，每2分钟记录一次时间和水的温度，实验正式开始后，每3分钟测量一次水的温度，在实验停止后，也要保持测量水的温度约十分钟以上，利用以上测量的结果作温度－－时间曲线，如图所示，将温度上。