空气比热容比的测定
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空气比热容比的测定
1、学会一种测定空气比热容比的方法。
2、学会正确使用物理天平和千分尺。
3、掌握直接测量值和间接测量值不确定度的计算。 1、千分尺和物理天平的正确使用方法。 2、气体比热容比的概念和不确定度的计算。 讲解、讨论与演示相结合。 3学时。
比热容是物质的重要参量,在研究物质结构、确定相变、鉴定物质纯度等方面起着重要的作用。气体的定压比热容和定体比热容的比值v p C C 称为比热容比γ。气体的γ值在许多热力学过程特别是绝热过程中是一个很重要的参数。实验中气体的比热容比常通过绝热膨胀法、绝热压缩法等方法来测定。本实验将采用一种比较新颖的方法,即通过测定小球在储气瓶玻璃管中的振动周期来计算空气的γ值。 一、实验目的
1、学会一种测定空气比热容比的方法。
2、学会正确使用物理天平和千分尺。
3、掌握直接测量值和间接测量值不确定度的计算。 二、实验仪器
FB212型气体比热容比测定仪、支撑架、小型气泵、TW-1型物理天平、0-25mm 外径千分尺等。
FB212型气体比热容比测定仪的结构和连接方式如图2所示:
三、实验原理
如图1所示,钢球A 位于精密细玻璃管B 中,其直径仅仅 比玻璃管直径小0.01-0.02mm ,使之能在玻璃管中上下移动, 瓶上有一小孔C ,可以通过导管将待测气体注入到玻璃瓶中。
设小球质量为m ,半径为r ,当瓶内气压P 满足下式时, 小球处于平衡位置:
2
r
mg
P P L π+
= (2) 设小球从平衡位置出发,向上产生微小正位移x ,则瓶内气体的体积有一微小增量:
x r dV 2π= (3)
与此同时瓶内气体压强将降低一微小值dP ,此时小球所受合外力为:
dP r F 2π= (4)
小球在玻璃管中运动时,瓶内气体将进行一准静态绝热过程,有绝热方程:
C PV =γ (5)
两边微分,得
01=+-PdV V dP V γγγ (6)
将(3)、(4)两式代入(6)式,得:
图1
x V
P
r F 42γπ-
= (7)
由牛顿第二定律,可得小球的运动方程为:
0422
2=+x mV P
r dt x d γπ (8)
可知小球在玻璃管中作简谐振动,其振动周期为:
4
Pr 2
2γω
π
mV
T ==
(9) 最后得气体的γ值为:
p
d T mV
P r T mV 4
242644==
γ (10) (10)式中右边各量可以方便测出,故可以计算出气体的γ值。
实验中为了补偿由于空气阻力以及少量漏气引起的小球振幅的衰减,通过C 管一直向玻璃瓶中注入一小气压的气流,在玻璃管B 的中部开有一小孔,当小球处于孔下方时,注入气体压强增大,使得小球往上运动;当小球越过小孔后,容器内气体经小孔流出,气体压强减少,小球将往下运动,如此循环往复进行以上过程,只要适当控制注入气体的流量,小球就能在玻璃管中小孔附近作简谐振动,其振动周期可用光电计时装置测得。 四、实验内容与步骤 1、实验仪器的调整
1)将气泵、储气瓶用橡皮管连接好,装有钢球的玻璃管插入球形储气瓶。将光电接收装置利用方形连接块固定在立杆上,固定位置于空芯玻璃管的小孔附近。 2)调节底板上三个水平调节螺钉,使底板处于水平状态。
3)接通气泵电源,缓慢调节气泵上的调节旋钮,数分钟后,待储气瓶内注入一定压力的气体后,玻璃管中的钢球离开弹簧,向管子上方移动,此时应调节好进气的大小,使钢球在玻璃管中以小孔为中心上下振动。 2、振动周期测量
1)设置:接通计时仪器的电源及光电接收装置与计时仪器的连接。打开计时仪器,
预置测量次数为50次。(如需设置其它次数,可按“置数”键后,再按“上调”或“下调”键,调至所需次数,再按“置数”键确定。本实验按预置测量次数进行,不需要另外置数。)
2)测量:按“执行”键,即开始计数(状态显示灯闪烁)。待状态显示灯停止闪烁,显示屏显示的数字为振动50次所需的时间。重复测量5次。
3、其它测量
1)用千分尺测出钢球的直径d,重复测量5次。
2)用物理天平称出钢球的质量m,重复测量5次。
五、注意事项
1、若钢球不作简谐振动,可以调节气泵上面的气流调节阀门,直到钢球在玻璃管上小孔附近作稳定的谐振动。
2、装有钢球的玻璃管上端加有黑色护套,防止实验时气流过大,导致钢球冲出。
3、测钢球的质量和直径时需要取出钢球。正确的取法是:先拨出护套,左手拇指堵住玻璃管上的小孔,待管中压强增大,钢球冲出管口的瞬间,用右手抓住钢球。取钢球需注意力高度集中,以防失手钢球落下砸坏玻璃器皿。待测量完毕,钢球放入管中后,仍需套入护套。
4、接通电源后若不计时或不停止计时,可能是光电门位置放置不正确,造成钢球上下振动时未挡光,或者是外界光线过强,须适当挡光。
5、本实验装置主要系玻璃制成,且对玻璃管的要求特别高,振动钢球的直径仅比玻璃管内径小0.01mm左右,因此钢球表面不允许擦伤,在测量钢球质量和直径是要注意轻拿轻放,还要防止钢球表面粘上灰尘。
六、课堂指导
1、千分尺和物理天平的正确使用方法。
2、调节气泵上的气量调节旋钮控制入气量,使钢球振动位置及振幅合适。
3、周期不测量时,请学生关闭气泵电源,以防气泵长时间工作发热。
七、思考题
1、试确定本实验中所使用各测量仪器的最小分度值。
答:千分尺的最小分度值为0.01mm,物理天平的最小分度值按0.1g取。