热功当量实验指导书.doc

热功当量实验指导书

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（50mg）及附件、烧杯、温度计（0.1）、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

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：

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（注意：水的温度应低于室温大约10度为宜，可用温度计测量）.
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（注意：在整个实验过程中时间记录值为连续变变化值，秒表不可暂停或清零），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：　　　℃
内锥体的质量
外锥体的质量
搅拌棒的质量
开始量取的冷水同烧杯的总质量
所剩冷水同烧杯的总质量
水的比热
黄铜的比热
实验开始时水的温度
实验终止时水的最高温度
则可计算出铜锥体及水等所吸收的热量为：

实验开始时计转器读数
实验终止时计转器的读数
圆盘的周长Ｌ
所悬挂砝码的质量
重力加速度
则克服摩擦力所作的功为：

由此可计算得：
热功当量：
2. 实验测量结果的修正：
实验开始前：
时间

温度

实验中：
时间

温度

实验终止后：
时间

温度

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，将温度上长部分ＡＢ延长，下降部分ＣＤ处长，然后通过室温作平行于时间轴的直线交ＢＤ于Ｇ点，然后过Ｇ点作温度轴的平行线分别交ＡＢ、ＣＤ的处长线于Ｅ、Ｆ点，则折线ＡＥＧＦＣ为校正后的曲线，ＡＥ段为被测量的水在空气中吸收热量引起的温度上升，ＥＦ段表示由无限快的做功和热传递把热量传递给水的过程，ＦＣ段表示由于水的温度高于室温所引起的放热．
则Ｅ、Ｆ点即为理论上做功起点的温度值和作功结束时的温度值故我们可以利用这两点再次计算出热功当量的值．
六、注意事项：
1. 摇动摇轮时一定要匀速，切勿过快以免将细线拉断。
2. 小心使用温度计，轻拿轻放.凡打碎温度计者将按仪器损坏赔偿制度处罚，课堂实验成绩按零分计。
七、附录：
1.牛顿冷却定律
在系统与环境温度差不太大时，可以采用牛顿冷却定律来求出实验过程中实验系统所散失或吸收的热量，实验证明：温度差相当小时，散热速度与温度差成正比，此即牛顿冷却定律，用数学形式表示可以写成：

其中是系统散失的热量，是时间间隔，Ｋ是一个常数（称为散热常数）与系统表面积成正比，并随着表面的吸收或发射辐射的本领而变；Ｔ、分别是我们考虑的系统及环境温度，称为散热率，表示单位时间内系统散失的热量．
2.科学家焦耳
焦耳1818年12月24日生于英国曼彻斯特，他的父亲是一个酿酒厂主。焦耳自幼跟随父亲参加酿酒劳动，没有受过正规的教育。青年时期，在别人的介绍下，焦耳认识了著名的化学家道尔顿。道尔顿给予了焦耳热情的教导。焦耳向他虚心学习了数学、哲学和化学，这些知识为焦耳后来的研究奠定了理论基础。而且道尔顿教诲了焦耳理论与实践相结合的科研方法，激发了焦耳对化学和物理的兴趣。
1840年，焦耳把环形线圈放入装水的试管内，测量不同电流强度和电阻时的水温．他发现：导体在一定时间内放出的热量与导体的电阻及电流强度的平方之积成正比。该定律称为焦耳—楞次定律。上述实验也使焦耳想到了机械功与热的联系，经过反复的实验、测量，焦耳终于测出了热功当量，但结果并不精确。1843年8月21日在英国学术会上，焦耳报告了他的论文《论电磁的热效应和热的机械值》，他在报告中说1千卡的热量相当于460千克米的功。他的报告没有得到支持和强烈的反响，这时他意识到自己还需要进行更精确的实验。
1847年，焦耳做了迄今人们认为是设计思想最巧妙的实验：他在量热器里装了水，中间安上带有叶片的转轴，然后让下降重物带动叶片旋转，由于叶片和水的磨擦，水和量热器都变热了。根据重物下落的高度，可以算出转化的机械功；根据量热器内水升高的温度，就可以计算水的内能的升高值。把这两个数值进行比较就可以求出热功当量的准确值来。焦耳还用鲸鱼油代替水来作实验，测得了热功当量的平均值为423.9千克米/千卡。接着又用水银来代替水，不断改进实验方法，直到1878年，这时距他开始进行这一工作将近四十年了，他已前后用各种方法进行了四百多次实验。他在1849年用摩擦使水变热的方法所得的结果跟1878年的是相同的，即为423.9千克米/千卡。一个重要的物理常数的测定，能保持三十年而不作较大的更正，这在物理学史上也是极为罕见的事。这个值当时被大家公认为热功当量J的值，它比现在J的公认值 ——427千克米/千卡约小0.7%。在当时的条件下，能做出这样精确的实验来，说明焦耳的实验技能是多么的高超啊！
焦耳曾对他的弟弟的说，“我一生只做了两、三件事，没有什么值得炫耀的。”相信对于大多数物理学家，他们只要能够做到这些小事中的一件也就会很满意了。焦耳的谦虚是非常真诚的。很可能，如果他知道了在威斯敏斯特教堂为他建造了纪念碑，并以他的名字命名能量单位，他将会感到惊奇的，虽然后人决不会感到惊奇。
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