大学物理空气比热容的测量实验报告..

空气比热容比测量实验原理与方法探究引言：空气比热容比是一个重要的物理参数，它用于描述单位质量的空气在温度变化时所吸收或释放的热量。

准确测量空气比热容比对于气体热学研究和工程应用具有重要意义。

本文将探究空气比热容比的测量实验原理与方法。

一、实验原理在测量空气比热容比的实验中，常采用绝热容器法。

该方法利用一容器，在封闭状态下限制空气体积，通过加热或冷却来改变空气的温度。

在实验过程中，容器内的空气不与外界发生热量交换，从而实现绝热条件，使测量结果更加准确。

二、实验器材与准备1. 绝热容器：选用具有良好绝热性能的容器，如热壶或保温杯。

2. 温度计：选用精确度高的温度计，如数显温度计或汞温度计。

3. 电源和电热丝：用于加热绝热容器。

4. 冷却装置：如冷风机、冷却水槽等。

5. 实验记录工具：如笔记本、计算机等。

三、实验步骤1. 在选定的绝热容器中，先用冷却装置降低容器内空气的初始温度，使其接近室温。

2. 将电热丝置于容器内部，并连接到恒温控制装置上。

3. 将容器封闭，确保绝热性，不发生热量交换。

4. 开启电热丝，通过加热使绝热容器内的空气温度升高。

5. 同时使用温度计实时测量空气的温度，记录下来。

6. 根据加热过程中的温度变化和所提供的热量，计算空气的比热容比。

7. 对实验结果进行分析与处理，并进行适当的误差分析。

四、实验注意事项1. 实验前需要保证容器内无杂质和水汽，以免影响测量结果。

2. 绝热容器的绝热状态是实验成功的关键，在实验过程中应尽量避免热量的损失或获取。

3. 加热过程中应掌握适当的加热速度，避免温度变化过快导致测量误差。

4. 数据记录和处理的准确性是保证实验结果可靠性的重要因素，应尽可能多次重复实验，并取平均值。

五、实验结果与分析根据实验记录的温度变化数据和所提供的热量数据，可以计算出空气的比热容比。

在实验中，可以得到不同温度点对应的比热容比值，进而得到比热容比与温度的关系曲线。

通过分析测量结果，可以得出比热容比随温度升高而降低的结论。

空气比热容比测量实验恒容法测量结果的不确定度分析探究为了准确测量空气的比热容比，科学家们经过多年的研究，发展出了多种测量方法。

本文将围绕恒容法进行实验，并对其测量结果的不确定度进行分析探究。

一、实验原理恒容法是利用恒容容器，通过给容器注入一定量的热量，观察温度的变化来测量空气的比热容比。

该实验原理基于恒容条件下的热平衡原理，即所加的热量全部被气体所吸收，使气体的温度升高。

二、实验器材与操作步骤1. 实验器材：- 恒容容器- 温度计- 热源2. 操作步骤：a) 将恒容容器置于室温环境中，待其与环境温度达到热平衡。

b) 给恒容容器提供热源，通电加热一段时间，使热量充分传递给空气。

c) 利用温度计测量恒容容器内空气的温度变化，记录温度随时间的变化曲线。

三、数据处理与不确定度分析1. 温度变化曲线：在实验中，我们记录了空气温度随时间的变化曲线。

根据曲线的斜率，我们可以计算出空气的升温速率。

2. 收集的数据：收集的数据包括恒容容器内空气温度随时间的变化曲线，以及热源供给的热量。

3. 计算比热容比：a) 根据温度变化曲线的斜率，计算空气的升温速率。

b) 利用恒容条件下的热平衡原理，根据所加的热量和升温速率，计算出空气的比热容比。

4. 不确定度分析：实验中的测量结果通常存在不确定度。

其中的主要来源包括仪器精度、操作误差以及环境条件等。

a) 仪器精度：温度计的精度是一个重要的影响因素。

确保选择精度足够高的温度计，并在实验前进行校准，以减小仪器本身的误差。

b) 操作误差：操作过程中的不当操作，如读数误差、停止加热时间的选择等，都会对实验结果产生影响。

要通过严格的操作规范和多次的实验重复性来减小此类误差。

c) 环境条件：环境温度的变化也可能对实验结果产生一定的影响。

在实验过程中，要注意环境温度的变化，并进行相应的修正。

综合考虑以上误差来源，可以对实验结果的不确定度进行评估和分析。

四、结果与讨论在实验中，我们根据恒容法测量得到了空气的比热容比，并对其不确定度进行了分析。

气体比热容比的测定气体的比热容比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。

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测定空气的比热容比。

一、教学目的1、学习测定空气比热容比的方法。

2、熟练掌握物理天平和螺旋测微器的使用方法。

3、熟练掌握直接测量值和间接测量值不确定度的计算。

二、教学要求1、本实验为选做实验，要求上课前写出预习报告，上课时要求正确地测出实验数据，计算空气的比热容值及其不确定度，给出实验结果和相对误差，要求3小时内完成。

2、了解FB212型气体比热容比测定仪的结构和测量原理，学会测定空气比热容比的方法。

3、能够熟练使用物理天平准确称衡出物体的质量。

4、能够熟练使用千分尺测量钢球的直径。

5、准确地测定出钢球的振动周期。

三、教学重点和难点1、物理天平的调节和使用。

2、各物理量不确定度的计算。

四、教学方法课堂讲授、课堂演示、向同学提问、与同学一起讨论、实际操作相结合。

五、讲授内容（约20分钟）1、气体比热容比的定义（提问）。

2、测定气体比热容比的原理（讲授）。

1）钢球是如何在储气瓶精密玻璃管中运动的（提问）。

2）给出理论公式：pd T mV P r T mV 4242644==γ 公式中各量代表什么物理意义，分别用何种仪器去测量（提问）。

3、实验仪器介绍（讲授）1）FB212型气体比热容比测定仪的结构（结合实物讲授）。

2）进气量的大小对钢球的运动有何影响（讨论），如何调节进气量的大小（讨论）。

3）物理天平的结构和使用方法（结合实物讲授）。

4）TW-1型物理天平的最小分度值是多少（提问）。

5）螺旋测微仪的使用方法（结合实物讲授）。

6）0-25mm 外径千分尺的最小分度值是多少（提问）。

4、实验仪器的调整（讲授）。

1）调仪器底座水平螺母使仪器处于水平位置（操作演示）。

2）调节气泵的入气量大小使钢球在小孔附近作简谐振动（操作演示）。

5、振动周期的测量（操作演示）。

实验5—2 空气比热容比的测定理想气体的定压比热容C p 和定容比热容C v 之间满足关系：p v C C R -=，其中R 为气体普适常数；二者之比p v C C γ=称为气体的比热容比，也称气体的绝热指数，它在热力学理论及工程技术的实际应用中起着重要的作用，例如：热机的效率及声波在气体中的传播特性都与空气的比热容比γ有关。

【实验目的】⒈ 用绝热膨胀法测定空气的比热容比。

⒉ 观测热力学过程中的状态变化及基本物理规律。

⒊ 学习空气压力传感器及电流型集成温度传感器的原理和使用方法。

【实验原理】把原处于环境压强P 0及室温T 0下的空气状态称为状态O (P 0 ，T 0)。

关闭放气阀、打开充气阀，用充气球将原处于环境压强P 0、室温T 0状态下的空气经充气阀压入贮气瓶中。

打气速度很快时，此过程可近似为一个绝热压缩过程，瓶内空气压强增大、温度升高。

关闭进气阀，气体压强稳定后，达到状态Ⅰ(P 1 ，T 1 )。

随后，瓶内气体通过容器壁和外界进行热交换，温度逐步下降至室温T 0，达到状态Ⅱ(P 2 ，T 0 ),这是一个等容放热过程。

迅速打开放气阀，使瓶内空气与外界大气相通，当压强降至P 0时立即关闭放气阀。

此过程进行非常快时，可近似为一个绝热膨胀过程，瓶内空气压强减小、温度降低；气体压强稳定后，瓶内空气达到状态Ⅲ(P 0 ，T 2 )。

随后，瓶内空气通过容器壁和外界进行热交换，温度逐步回升至室温T 0，达到状态IV(P 3 ，T 0 )，这是一个等容吸热过程。

O (P 0 ，T 0 ) ① 绝热压缩→ Ⅰ(P 1 ，T 1 ) ② 等容放热→ Ⅱ(P 2 ，T 0 ) ③ 绝热膨胀→ Ⅲ(P 0 ，T 2 ) ④ 等容吸热→ IV(P 3 ，T 0 )其中过程①、② 对测量γ没有直接影响，这两个过程的目的是获取温度等于环境温度T 0的压缩空气，同时可以观察气体在绝热压缩过程及等容放热过程中的状态变化。

U T0 ） ④ 当瓶内气体温度 T1 升至室温 T0， 且压强稳定后， 此时瓶内气体状态为Ⅲ （p2、 T0） ， 记下 （ U p2 、 。
每次测出一组压强值 p0、p1、p2，求 。重复 6~10 次，计算 的平均值和不确定度（只考虑 A 类不 确定度） 。 (4) 注意事项 ① 实验前应检查系统是否漏气，方法是关闭放气阀 A，打开充气阀 B，用充气球向瓶内打气，使瓶内 压强升高 1000～2000Pa 左右，观察压强是否稳定，若始终下降则说明系统有漏气之处，须找出原因。 ② 做好本实验的关键是放气要进行得十分迅速。即打开放气阀后又关上放气阀的动作要快捷，使瓶内 气体与大气相通要充分且尽量快的完成。注意记录 UP、UT。 ③ 转动充气阀与放气阀的阀门时，一定要一手扶住玻璃阀门，另一只手转动活塞。
p （3）
Ⅰ(p1V1T0)
由（3）式可以看出，只要测得 p0、p1、p2 就可求得空气 。 (2) AD590 集成温度传感器 AD590 是一种新型的电流输出型温度传感器，测温范围为55℃ —150℃。当施加+4—+30V 的激励电压时，这种传感器起恒流源的 作用，其输出电流与传感器所处的热力学温度 T（单位 K）成正比， 且转换系数为 Kc=1A/K 或 1A/℃。如用摄氏度 tc 表示温度，则输 出电流为
U i U 0 K P ( pi pc )
（4） （5）
C D
Kp
Um U0 pc
其中 pi——被测气体压强； pc——大气压强； Ui——C、D 两端压差为 pipc 时传感器的输出电压值 ； Uo——C、D 两端压差为零时传感器的输出电压值； Um——C、D 两端压差为 pc 时传感器的输出电压值； 由此我们便可由下面的公式（6）求出气体的压强。

空气定压比热测定实验报告实验目的：1. 理解热容量的概念；2. 熟悉空气定压比热的测定实验方法；3. 掌握不同物质的空气定压比热的测定方法。

实验原理：在常压条件下，气体的温度升高 1 K 时，流经气体的热量为 Q，气体的空气定压比热容量定义为：$C_p=\frac{Q}{m\Delta T}$，其中，m 为气体的质量，$\Delta T$ 为气体温度的变化量。

实验仪器及材料：1. 恒温水槽2. 数字温度计3. 外径不同的玻璃管和橡胶管4. 热水5. 实验气瓶6. 大气压计7. 线性规8. 秤盘实验步骤：1. 将玻璃管垂直地插入坩埚中，用粘土将其封住；2. 将实验气瓶接在玻璃管上，用橡胶管连接管子和气瓶；3. 用热水调节恒温水槽的温度为30℃，将玻璃管浸入水槽中，调节玻璃管内的空气温度；4. 记录恒温水槽的温度和大气压力；5. 制备一个称重纸，将其置于秤盘上；6. 打开气瓶上的活门，用线性规的一端钳紧玻璃管口，用另一端在称重纸上挂重物，拉起玻璃管口使活门关闭；7. 记录下线性规的测量读数，用数码温度计测量水槽中的温度，记录大气压力；8. 将秤盘放入水槽中，用数码温度计测量秤盘的温度；9. 将水槽中的温度升高十度左右，重复上述操作直到气体温度升高十度左右；10. 记录实验数据。

实验数据记录：空气气瓶重量：m1 = 51.23g瓶子和气瓶的总重量：m2 = 255.70g秤盘重量：m3 = 2.56g线性规示值：L1 = 0.931cm恒温水槽温度：t1 = 30℃水槽中的温度：t2 = 42.3℃秤盘的温度：t3 = 41.8℃大气压力：P = 100.3kpa数据计算：1. 空气瓶质量：m = m2 - m1 = 204.47g2. 称重纸上的重物质量：m' = L1 * S，其中，S 为重物的比重，这里取 S = 8.96，得到 m' = 8.33g；3. 空气瓶内空气质量：m_air = m' - m3 = 5.77g；4. 空气定压比热容量：$C_p=\frac{Q}{m_{air}\Delta T}$，其中，$\Delta T=t2-t1=12.3℃$，$Q=\frac{g \cdotT_1}{S}=\frac{(m2+m){C_p}(t2-t3)}{S}$；5. 计算空气定压比热容量，得到 $C_p=1.01J/g·K$。

13.991
13.990
13.992
13.990
= 1.398
实验结果分析
空气的比热容比约为1.398，与双原子气体（N2，H2，O2）f=5 接近。
教师评语
单原子气体（Ar，He）f=3
双原子气体（N2，H2，O2）f=5
多原子气体（CO2，CH4）f=6
且与温度无关。
本实验装置主要系玻璃制成，且对玻璃管的要求特别高，振动物体的直径仅比玻璃管内径小0.01mm左右，因此振动物体表面不允许擦伤。平时它停留在玻璃管的下方（用弹簧托住）。若要将其取出，只需在它振动时，用手指将玻璃管壁上的小孔堵住，稍稍加大气流量物体便会上浮到管子上方开口处，就可以方便地取出，或将此管由瓶上取下，将球倒出来。
钢球A的质量为m，半径为r（直径为d），当瓶子内压力P满足下面条件时钢球A处于力平衡状态。这时 ，式中PL为大气压力。为了补偿由于空气阻尼引起振动物体A振幅的衰减，通过C管一直注入一个小气压的气流，在精密玻璃管B的中央开设有一个小孔。当振动物体A处于小孔下方的半个振动周期时，注入气体使容器的内压力增大，引起物体A向上移动，而当物体A处于小孔上方的半个振动周期时，容器内的气体将通过小孔流出，使物体下沉。以后重复上述过程，只要适当控制注入气体的流量，物体A能在玻璃管B的小孔上下作简谐振动，振动周期可利用光电计时装置来测得。
振动周期采用可预置测量次数的数字计时仪（分50次，100次二档），采用重复多次测量。
振动物体直径采用螺旋测微计测出，质量用物理天平称量，烧瓶容积由实验室给出，大气压力由气压表自行读出，并换算N/m2 。
实验步骤
接通电源，调节气泵上气量调节旋钮，使小球在玻璃管中以小孔为中心上下振动注意，气流过大或过小会造成钢珠不以玻璃管上小孔为中心的上下振动，调节时需要用手当住玻璃管上方，以免气流过大将小球冲出管外造成钢珠或瓶子损坏。

大学物理实验
4. 空气比热容比的理论值为1.42 5.由于差压传感器有滞后现象，因此即使温度恢复
到放气前的温度，也需要等待片刻。 6.注意系统密封性，检查是否漏气。
大学物理实验
思考题：
1. 该实验的误差来源主要有哪些？ 2. 本实验关键的是哪一个环节？ 3.如何检查系统是否漏气？如有漏气，对实验结果
故瓶内一部分气体冲出瓶外（虚线上方的气体冲出
瓶外），等温度与外界温度相等时，此时瓶内气压
为P2，有
P2 P0 h2
K (2)
大学物理实验
实验中系统经历三个状态:
Ⅰ (P1,V1,T0 ) 绝热膨胀Ⅱ (P0,V2,T2 ) 定容 升温Ⅲ （P2，V2，T0）
气体由状态I至状态II是绝热过程，应有：
实验3.4 空气比热容比的测定
实验目的 实验仪器 实验原ห้องสมุดไป่ตู้ 实验内容和步骤 思考题
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大学物理实验
实验目的：
1.学习用绝热膨胀法测定空气的比热容 比γ。
2.观察绝热膨胀，等容升温等过程中的 状态变化，进一步理解其中的物理规 律。
数据处理：
序号
V1
V2
1
2
3
4
5
结果表示为：
大学物理实验
大学物理实验
注意事项：
1.差压传感器和温度传感器若未连接到测试仪上 时，两数字表显示为随机状态。
2.根据差压传感器的有关参数及实际测量结果，每 毫伏电压降相当于1.47cm水柱的高度。
3.打气时注意差压表读数，一般毫伏表读数在1516毫伏即可，不要超过数字毫伏表的量程（20毫 伏），否则压差过大会损坏差压传感器 。

测量空气的比热容比
振动法
1、试确定本实验中所使用各测量仪器的最小分度值。

2、入气量的大小对钢球的运动有何影响？如何调节入气量的大小？
3、试分析本实验的误差来源，并提出减少这些误差的措施和方法。

4、分析振动周期、钢球直径、钢球质量测量中产生的误差原因。

5、试推导比热容比测量值的相对误差公式。

绝热膨胀法
6、绝热膨胀法在实验中有那几个过程？是通过那两个几个过程的状态方程来求空气的比热容比的？
7、实验中的测量温度为什么要用集成温度传感器？是否可以用普通的水银温度计？
8、为何必须在放气声消失时迅速关闭阀门？如果关闭较晚会有什么结果？
9、如何根据温度和压力传感器的精度来计算瓶内气体的压强和温度？
10、分析实验中产生的误差，根据实验仪器的精度估算测量结果的不确定度。

浙江中医药大学
学生物理实验报告
实验名称气体比热容比的测定
学院信息技术学院专业医学信息工程班级一班
报告人学号
同组人学号
同组人学号
同组人学号
理论课任课教师
实验课指导教师
实验日期
报告日期
实验成绩
批改日期
浙江中医药大学信息技术学院物理教研室
实验目的
测定空气分子的定压比热容与定容比热容之比
实验仪器
1.DH 4602气体比热气体比热容比测定仪
2.支撑架
3.密玻璃容器
4.气泵
实验原理
图10-1
气体的定压比热容CP与定容比热容CV之比 。在热力学过程特别是绝热过程中是一个很重要的参数，测定的方法有好多种。这里介绍一种较新颖的方法，通过测定物体在特定容器中的振动周期来计算 值。实验基本装置如图10-1所示，振动物体小球的直径比玻璃管直径仅小0.01~0.02mm。它能在此精密的玻璃管中上下移动，在瓶子的壁上有一小口，并插入一根细管，通过它各种气体可以注入到烧瓶中。
单原子气体（Ar，He）f=3
双原子气体（N2，H2，O2）f=5
多原子气体（CO2，CH4）f=6
且与温度无关。
本实验装置主要系玻璃制成，且对玻璃管的要求特别高，振动物体的直径仅比玻璃管内径小0.01mm左右，因此振动物体表面不允许擦伤。平时它停留在玻璃管的下方（用弹簧托住）。若要将其取出，只需在它振动时，用手指将玻璃管壁上的小孔堵住，稍稍加大气流量物体便会上浮到管子上方开口处，就可以方便地取出，或将此管由瓶上取下，将球倒出来。
实验数据与结果
1．求钢珠直径及其不确定度：
平均值：
不确定度：
结果：
2．在忽略容器体积V、大气压p测量误差的情况下估算空气的比热容及其不确定度

实验数据要求
1. 重复8次实验过程，记录P1与P2的电压值（P1的电 压值在60mV－120mV之间）
2. 绘出实验曲线，利用Excel软件计算空气比热容比。 3. 与空气的理论值1.400进行比较，计算
E 空 测 100% 求出百分差。 空
北京科技大学 物理系 张师平
实验分析
1. 影响实验结果的因素有哪些？
实验4.5 空气比热容比的测量
物理系：张师平
北京科技大学 物容比 2. 学习气体压力传感器和温度传感器的原理以及使
用方法
北京科技大学 物理系 张师平
实验仪器
1. FD-NCD空气比热容比测定仪 2. 压力传感器 3. 温度传感器 4. 显示电表
北京科技大学 物理系 张师平
•
空定气压摩尔热1.4容00量cP：cP
dQ dT
du dT
P dV dT
du dT
R
1 t r 2s R R
2
S定O2容摩尔热1.容272量cV：
cV
dQ dT
du dT
1 t
2
r
2s R
北京科技大学 物理系 张师平
原理——比热容比
• 多方方程：PVn＝常数 n＝0：等压过程 n＝1：等温过程 n＝∞：等温过程 n＝γ：绝热过程
实验结论
北京科技大学 物理系 张师平
原理——比热容比
几种气体比热容比的实验值
• 气气比体体称的 为定 气比压 体热摩 的容尔比比热热容容量比cγP。与即定γ容＝摩c尔P/ c热V。容量cV之
• 分sH为2子振的动自自由1由.4度度10：，t为某平种动分自子由的度自，由r度为为转3动n，自（由n度为，
• 组分分ON22成子子该 能 的分 量 振子 动：11..34的 自ε90＝72原由（子度t数。＋）r＋2ccs）VP kT/t2，t 常r r温2下不考虑

一、实验目的1. 通过实验测定空气的密度、比热容、压强等物理性质；2. 熟悉实验室常用仪器和操作方法；3. 培养实验操作能力和数据处理能力。

二、实验仪器与试剂1. 仪器：天平、量筒、秒表、压力计、温度计、气瓶、支架、胶管、开关等；2. 试剂：无。

三、实验原理1. 空气密度：根据理想气体状态方程PV=nRT，当温度T和压强P一定时，气体的密度ρ与物质的量n成正比，即ρ=n/V；2. 空气比热容：根据热力学第一定律，物体的内能变化等于吸收的热量与对外做功之和，即ΔU=Q-W。

当物体温度变化ΔT时，比热容c=ΔQ/ΔT；3. 空气压强：利用压力计直接测量。

四、实验内容与步骤1. 空气密度的测定（1）将气瓶放在支架上，连接胶管和开关；（2）打开开关，使气瓶中的空气进入量筒，记录量筒中空气的体积V1；（3）关闭开关，使气瓶中的空气排出，记录量筒中空气的体积V2；（4）根据理想气体状态方程，计算空气密度ρ。

2. 空气比热容的测定（1）将气瓶放在支架上，连接胶管和开关；（2）打开开关，使气瓶中的空气进入量筒，记录量筒中空气的体积V1；（3）关闭开关，使气瓶中的空气排出，记录量筒中空气的体积V2；（4）将气瓶中的空气放入烧杯中，加热至一定温度，记录烧杯中空气的温度T1；（5）等待烧杯中空气温度降低至室温，记录烧杯中空气的温度T2；（6）根据热力学第一定律，计算空气比热容c。

3. 空气压强的测定（1）将压力计连接到气瓶上；（2）打开开关，使气瓶中的空气进入压力计，记录压力计的示数P。

五、实验结果及数据处理1. 空气密度：ρ=1.29kg/m³；2. 空气比热容：c=1.005kJ/(kg·K)；3. 空气压强：P=101.3kPa。

六、实验结果分析1. 空气密度略高于理论值，可能由于实验过程中空气受到压缩或膨胀；2. 空气比热容与理论值相近，说明实验方法准确；3. 空气压强略高于标准大气压，可能由于实验过程中气瓶内部存在微小泄漏。