电热法热功当量的测量

近代物理实验报告

专业 应用物理 班级 11级(2)班 实验名称 电热法热功当量的测量 小组成员姓名: 实验地点 K7-106 指导教师 实验时间 2014年1月1日

【实验目的】

1．用电热法测量热功当量。

2．学会一种热量散失的修正方法——修正终止温度。 【实验原理】

强度为I 安培的电流在t 秒内通过电热丝，电热丝两端的电位差为U 伏特。则电场力做功为

IUt W = （1）

这些功全部转化为热量，此热量可以用量热器来测量。设m 1表示量热器内圆筒和搅拌器的质量，C 1表示其比热。m 2表示缠绕线的胶木（或玻璃）的质量，C 2表示其比热。m 3表示量热器内圆筒中水的质量，C 3表示水的比热，T 0和T f 表示量热器内圆筒及圆筒中水的初始温度和终止温度，那么量热器内圆筒及圆筒中的水等由导体发热所得的热量Q 为

Q ＝（m 1C 1＋m 2C 2＋m 3C 3）（T f －T 0） （2）

所以，热功当量

)

)((0332211T T C m C m C m IUt Q W J f -++== 焦耳/卡 （3）

J 的标准值J 0＝4.1868焦耳/卡。

2．散热修正

如果实验是在系统（量热器内筒及筒中的水等）的温度与环境的温度平衡时，对电阻通电，那么系统加热后的温度就高于室温T 。实验过程中将同时伴随散热作用，这样，由温度计读出的终止温度的数值T 2必须比真正的终止温度的数值T f 低。（即假设没有散热所应达到的终温为T f ）。为了修正这个温度的误差，实验时在相等的时间间隔内，记下相对应的温度，然后以时间为横坐标，温度为纵坐标作图，如上图所示。图中AB 段表示通电以

前系

统与环境达到热平衡后的稳定阶段，其稳定温度（即室温）也就是系统的初温T 0，BC 段表示在通电时间1t 内，

系统温度从T 0至T 1的变化情况。由于温度的变化存在滞后的现象，因而断电后系统的温度还将略为上升到达T 2，如CD 段所示， DE 段表示系统的自然冷却过程。

根据牛顿冷却定律，当系统的温度T 与环境的温度T 。相差不大时，由于散热，系统的冷却速率 b FT T T K dt

dT -=-=)(0 （4）

即冷却速率dt

dT v =与系统的温度T 成线性关系。在实际测量时，可以从升温降温曲线的最高点D 开始，记录系

统经过一段冷却时间t 2以后温度的变化量ΔT ，由此可以算出系统在温度最高点的冷却速率2

t T v ∆=。

当系统自T 0升温到T 2时，其冷却速率相应从0增大到2

t T v ∆=。所以在BD 升温过程中，系统的平均冷却速

率2

212

1t T v v ∆==，在此过程中由于散热而使系统最终产生的误差

2

112t T t t v T ∆==σ （5）

系统的真正终温

2

1222t T t T T T T f ∆+=+=σ （6）

数据处理时，还可用作图的方法求T f 值。将DE 线段往左外延，再通过P 点（t 1/2点）作横坐标轴的垂线与DE 的外延线交于F 点，则F 点对应的温度就是系统修正后的终止温度T f 。

如果系统起始加热的温度T 0不等于室温，则由于开始时的温度冷却速率不为零，系统的温度修正值不能用2

112t T t T v T ∆==σ式。从牛顿冷却定律知，当系统与环境的温度相差不大时（小于15℃），其温度冷却速率与

v 为用

温度差成正比。于是，可得开始加热时的冷却速率其中v T

T T T v --=200，

温度计测得系统的终止温度T 2时的冷却速率，可从上图求得（2

t T v ∆=）。所以在BD 升温过程中系统的平均冷却速率

v T T T T T v v T T T

T v v v )

(22)(21)(21220200--+=+--=+=

（7） 系统的真正终温

1220212)

(22vt T T T T T T t v T T f --++=+=

（8）

12

2202)

(22t t T T T T T T T ∆⋅--++=

【实验仪器】

热学实验平台、电加热量热器（见右图）、测温探头（温度传感器）、物理天平（自备）

将带电加热的量热器的电输入端与热学实验平台的第二单元中的电压输出端相连。量热罐中间的小孔插入测温探头或玻璃温度计以监视内部液体温度的变化。

【实验步骤】

1、用天平称出内筒的质量，再用天平称出约100克左右的水，倒入量热器中。将测温探头电缆与热学实验平台面板上对应电缆座连接好。

2、打开电源开关。

3、记下初始温度值1T ℃。

4、接上加热电阻的连线（同时按接触计时器“启动”按钮），系统开始加热、计时，同时不断搅拌量热器中的水，以使加热均匀。

5、当加热一段时间(如5分钟)后，拔掉加热电阻的连线，停止加热，记下加热的时间。同时继续搅拌，待温度不再上升时，记下系统的温度2T ℃。

6、根据()()[]

0332211/T T m c m c m c UIt J f -=＋＋ 求出热功当量。 【数据记录及处理】

【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？ 不会

2、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？

教师评语：

1.实验预习：（认真、较认真、一般、较差、很差）；占30%

2.原始数据及实验结果：（准确合理、较准确、不合理）；占30%

3.实验所要求的误差分析或作图：（规范、中等、不规范）；占20%

4.报告排版整齐度：（很好、较好、中等、较差、很差）；占20%

评定等级：（）教师签名：日期：