大学物理演示实验

大学物理演示实验报告

院系名称：勘察与测绘学院

专业班级：资源1242

姓名：王延平

学号：1201431226

斯特林热机演示实验

试验目的：

初步了解热机的工作原理以及热机正向和逆向循环工作的用途。

实验原理：

斯特林热机（Stirling Engine），是一种由外部供热使气体在不同温度下作周期性压缩和膨胀的封闭往复式发动机。它由苏格兰牧师斯特林提出。

斯特林热机采用封闭气体进行循环，工作气体可以是空气、氮气、氦气等。如图1所示，在热机封闭的气缸内充有一定容积的工作气体。汽缸一端为热腔，另一端为冷腔。置换器活塞推动工作气体在两个端之间来回运动，气体在低温冷腔中被压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功。如此循环不休，将热能转化为机械能，对外做功。

理论上，斯特林热机的热效率很高，其效率接近理论最大效率（称为卡诺循环效率）。但二者又有所不同，前者由两个等温过程和两个等容过程构成，如图2所示。而后者由两个等温过程和两个绝热过程构成。

斯特林热机属于可逆热机，既可用于制热，又可用于制冷；既可将热能→机械能，又可将机械能→热能。如果用于制冷，则图2中的四个热力学循环将沿逆时针方向进行。

图2 斯特林热机的四个循环过程图1 斯特林热机

下面结合循环图（图2）和活塞运动图（图3），来详细分析一下斯特林热机的四个循环过程。

一个装有两个对置活塞的气缸，在两个活塞之间设置一个回热器。可以把回热器设想成一块交替放热和吸热的热力海绵。回热器和活塞之间形成了两个空间。一个称为膨胀腔，使它保持高温Tmax；另一个称为压缩腔，使它保持低温Tmin。因此，在回热器两端有一个温度梯度Tmax-Tmin。假设回热器在纵向没有热传导，与卡诺循环情况一样，假设活塞在运动中无摩擦，工作气体在气缸中无泄露损失。

循环开始时，设压缩腔活塞处于外止点，膨胀腔活塞处于内止点并紧靠回热器端面。这样，全部工作气体都处于冷的压缩腔内。因为此时的容积为最大值，所以工作气体的压力和温度都处于最小值，用图2和图3中的点1表示。

在压缩过程1~2，压缩腔活塞向内止点运动，膨胀腔活塞保持不动，工作气体在压缩腔内被压缩，压力增加。因为热量Qc已经通过压缩腔汽缸壁排放到环境中，故工作气体的温度保持不变。此过程中，工作物质等温冷却收

缩，热量在Tmin温度下从工作气体传递给外部低温热源。

在回热过程2~3中，两个活塞同时运动，压缩活塞继续向回热器运动，而膨胀活塞远离回热器，因此两活塞间的容积保持不变。工作气体通过回热器从压缩腔转移到膨胀腔。当工作气体通过回热器时，被回热器中的热量加热，温度从Tmin上升到Tmax后流入膨胀腔。由于工作气体通过回热器时，是在等容条件下被逐渐提高温度的，结果使压力增加。此过程中，工作物质等容吸热升温，热量从回热器传递给工作气体。

在等温膨胀过程3~4中，膨胀腔活塞继续朝背离回热器的方向，向外止点运动，压缩腔活塞则停留在内止点并紧靠回热器。在膨胀过程中，容积增大，压力降低。由于从外热源向系统加入热量QE，工作气体温度保持不变。此过程中，工作物质等温吸热膨胀，热量在Tmax温度下从外部热源传递给工作气体。

循环的最后一个过程4~1也是回热过程。在此期间，两活塞同时运动，保持容积不变，使工作气体从膨胀腔通过回热器返回到压缩腔。在通过回热器时，热量从工作气体传给回热器，工作气体温度降低到Tmin并流入到压缩腔。工作气体在过程中释放出的热量将保存在回热器内，直到下一个循环中的2~3过程，再传递给工作气体。此过程中，工作物质等容冷却降温，热量从工作气体传递给回热器。

图3 活塞运动示意图

总的来说，理想斯特林热机的热力学循环就是：

1）1→2过程，工作物质等温冷却收缩。热量在Tmin温度下从工作气体传递给外部低温热源。

2）2→3过程，工作物质等容吸热升温。热量从回热器传递给工作气体。

3）3→4过程，工作物质等温吸热膨胀。热量在Tmax温度下从外部热源传递给工作气体。

4）4→1过程，工作物质等容冷却降温。热量从工作气体传递给回热器。

实验步骤：

1.在烧杯中装入开水。

2.将斯特林热机置于烧杯上，观察斯特林热机的运转。

实验现象：

斯特林热机开始转动。

实验应用：

斯特林热机是一种高效率的能量转换装置，相对于内燃机燃料在气缸内燃烧的特点，斯特林热机仅采用外部热源，工作气体不直接参与燃烧，因此又被称为外燃机。只要外部热源温度足够高，无论是使用太阳能、废热、核原料、生物能等在内的任何热源，都可使斯特林热机运转，既安全又清洁，故其在能源工程技术领域的研究兴趣日益增加，极有可能成为未来动力的来源之一。

安培力演示实验

试验目的：

演示载流导线在磁场中的受力现象，以加深对安培力的理解。

实验原理：

载流导线在磁场中受力称为安培力。载流线元dl在磁场中的受力为

dF=Idl B

一段导线受到的安培力为

F= Idl B

本实验在磁场中用一段作直导线载流导体，通电后用载流直导线的运动来演示导线受到的安培力。

实验步骤：

1.开启电源，按下换向开关使导线通过电流，观察导线的受力情况。

2.改变换向开关方向，使导线电流方向反向。

实验现象：

直导线向不同的方向运动。

实验应用：

直流电动机，磁电式电表等都是运用安培力的原理制成的。

演示实验的收获

这次的物理演示实验课让我大开眼界，看到了很多新鲜的事物。在本次的演示实验课中，我学到了很多在平时的学习中学习不到的东西，老师给我们认真的讲解实验原理，让我们通过奇妙的物理现象来感受伟大的自然科学的奥妙，即便有遗漏的地方也可以看桌上的说明来了解。老师向我们展示了一些很新奇的仪器和实验，我们都带着好奇心仔细的观看了每一个实验，并亲手操作了部分实验，一些看似不正常的现象都能用科学的自然知识来解释。

一开始是超声雾化，水雾不断地从水中涌出，不过水雾不是热的而是凉的，这个实验原理也是很简单的，运用的是超声波原理，超声波于一般波相比频率高，波长短，具有能量大，方向性好，穿透本领高等特点，超声波让水以水分子的形式向外蒸发，形成水雾，所以水雾不是热的而是凉的，我们平时用的增湿器就是用这个原理制成的。

接下来我们看到了那闪闪发光的辉光球，用指尖触及玻璃球外壳，便见辉光在手指的周围处变得更为明亮，产生的弧线顺着手的触摸移动而游动扭曲，随手指移动起舞，十分漂亮，十分奇特。这是低压气体在高频电场中的放电现象。

研究完辉光球我们又来到了一种很先进武器的前边，那就是电磁炮，电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进的动能杀伤武器。与传统的大炮不同，电磁炮是利用电流磁场产生的电磁力代替火药爆炸力来加速弹丸的发射系统，可大大提高弹丸的速度和射程，另外电磁炮还有很多优点，不会产生强大的冲击波和弥漫的烟雾，而且具有良好的隐蔽性。

最有趣的当数鱼洗，鱼洗奇妙的地方是，用手缓慢有节奏地摩擦盆边两耳，盆会像受击撞一样振动起来，盆内水波荡漾。摩擦得法，可喷出水柱。水柱可高达400mm到500mm。

总之这次实验课让我收获颇丰，我会在今后不断提高自己，完善自己，是自己更快的成长。