大学物理实验教案8-固体比热容的测量

实验四固体比热容的测量【实验目的】1．用混合法测定金属的比热容。

2．掌握基本的量热方法——混合法。

【实验仪器】量热器、温度计（0 ~ 50 ºC两支、0 ~ 100 °C一支）、物理天平、待测金属块、加热器或电炉、冰、停表等。

量热器：又称卡计，是测量热量的仪器。

简单的量热器如图所示，m1为内筒，筒内贮有一定量的纯水m0 ，T为温度计，m2 为搅拌器，为了将由内筒及其盛的物质构成的热学系统看成为孤立系统，故将内筒置于外筒C并由绝热架I2 支撑，上面盖上绝热盖I1 ，同时，将内外筒的表面电镀或打磨得十分光亮以减少由于辐射而产生得热传递。

【实验原理】温度不同得物体混合后，热量将由高温物体传递给低温物体。

如果在混合过程中和外界没有热交换，最后将达到均匀稳定的平衡温度，在这过程中，高温物体放出的热量等于低温物体所吸收的热量，此称为热平衡原理。

本实验即根据热平衡原理用混合法测定固体的比热。

将质量为m、温度为T1 的金属块投入量热器的水中。

设金属块、水、量热器内筒、搅拌器和浸入水中的温度计的比热分别为c、c0、c1、c2 和c3 ，质量分别为m、m0、m1、m2和m3 ，待测物投入水中之前的水温为T2 。

在待测物投入水中以后，其混合温度为θ，则在不计量热器与外界的热交换的情况下，将存在下列关系：mc (T1 −θ ) = ( m0c0 + m1c1 + m2c2 + m3c3 ) ( θ−T2 )即：)－()－)(＋＋＋(＝112 332211θTmTθcmcmcmcmc式中，温度计插入水中的部分的热容量为m3c3 = 1.9{V}cm³，V为温度计插入水中部分的体积，{V}cm³表示V 以cm3为单位的数值，具体算法参照书后附。

上述讨论是在假定量热器与外界没有热交换时的结论。

实际上，只要有温度差异就必然会有热交换存在，因此，必须防止或进行修正热散失的影响。

热散失的途径主要有三：第一是加热后的物体在投入量热器水中之前散失的热量，这部分热量不易修正，应尽量缩短投放时间。

重庆科技学院大学物理实验报告
第个实验报告
一、实验目的
二、实验原理
三、实验仪器(型号、量程、精度或仪器误差等) 四、实验内容及步骤
五、实验数据记录表格
量热器黄铜内筒质量:
1
m= g黄铜比热容：
1
c=380)
J/(kg C
⋅︒
不锈钢搅拌环质量：
2
m= g不锈钢比热容：
2
c=500)
J/(kg C
⋅︒
传感器外壳质量：
3
m= g不锈钢传感器外壳比热容：
3
c=
2
c
冰水与内筒质量：
m+
1
m= g冰水质量：
m= g 锌粒质量：m = g锌的标准比热容：c =.
/
386kg
J℃测量量热筒内温度的变化情况：
t/min
T/℃
t/min
T/℃
六、预习思考题
(1)混合量热法的原理是什么？其基本实验条件为何？如何保证？
(2)为提高量热精度，本实验采取了哪些措施？
实验总评成绩
课程名称大学物理实验实验项目名称线膨胀系数测试实验开课院系及实验室数理系大学物理实验教学中心实验日期
姓名专业班级学号指导教师
教师评语：
评阅教师签字：批改时间：
在实验室预习的时间在实验室预习好后指导教师签字
八、数据处理
(3) 试分析在实验过程中，应当选取什么样的各种参量（如温度、水与锌的质量）进行测量，方能使得
实验精度较高？
七、数据记录
九、实验结果与分析
十、实验小结与体会。

实验18 固体比热容的测量（一）混合法测量固体比热容[实验目的]1．学习量热的基本方法——混合法2．学习一种修正散热的方法——温度的修正3．测定金属的比热容[实验仪器]量热器、双壁加热器、蒸汽锅、电炉、水银温度计（0-50.0℃, 0－100℃）各一支、物理天平、停表、量筒。

[仪器介绍]1．量热器为了使实验系统（包括待测系统与已知其热容的系统）成为一个孤立系统, 我们采用量热器。

传递热量的方式有三种: 传导、对流和辐射。

因此必须使实验系统与环境之间的传导、对流和辐射都尽量减少, 量热2．外筒是双层结构, 空气封闭其中, 因为空气是热的不良导体, 故可避免空气传导而引起热量的损失；外筒上端的木盖可严密地盖着, 避免空气对对流所引起的热量损失；外筒的内壁和内筒的外壁均电镀得十分光亮, 可减少热辐射, 外筒的底部放上一个隔外筒的外表再包一层绒布, 这样就能使整个系统尽可能根据上述测量的T－t数据, 以T为纵坐标, 以t为横坐标, 即得如图（2—3—18—4）的T－t曲线。

A点对应的时刻就是测水温开始的时间 , B点对应的时刻就是, 而不是5分钟末的时间。

然后作图即得混合前后冷水的初温和末温T。

把各个物理量的测量值代入式（2-3-18-1）即可算出金属样品的比热容。

图（2—3—18—4）中的G点所对应的温度应为室温所在的位置, 这样才不影响温度的修正。

[实验内容和要求]1. 混合法测定铜块的比热容2.混合过程中散热的温度修正法3．混合前量热器（含水）系统温度低于室温（加冰块）, 测量系统随时间吸热变化的温度。

4. 混合过程快速测量变化的温度5. 数据处理：Cx与标准值求百分误差［注意事项］1. 作温度值修正法曲线图, FE垂直于t轴, 满足S1=S2, 图中G点对应的温度接近室温为佳。

2. 从曲线图中定出初温T2和末温T。

［实验思考］请分析本实验主要的误差来源。

（二）冷却法测量金属的比热容[实验目的]学习冷却法测量金属比热容的方法[实验仪器]FB312型冷却法金属比热容测量仪[实验原理]根据牛顿冷却定律, 用冷却法测定金属的比热容是量热学常用方法之一。

大学物理实验课程教学大纲“大学物理实验”课程是本科生进入大学后的第一门科学实验课程。

它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有无可替代的重要作用。

我校目前每年上大学物理实验课的学生多达五千人，三十三万人时以上。

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我校大学物理实验课程以培养学生实践能力、创新思维和创新能力为目标，围绕我校培养高素质拔尖人才的宗旨，建立了能激发学生学习兴趣、培养学生自主学习能力、实践能力、探究精神、创新思维、创新能力的物理实验课程体系、教学内容、教学模式和教学方法。

大学物理实验课程按四个层次（四级物理实验）分别面向全校各相关专业的学生开课。

每级物理实验的教学在一个学期内完成，四级物理实验分别对应着四个学期的物理实验教学。

一级物理实验（基础物理实验）必修一、教学目标及要求本级物理实验主要包含基本物理量的测量、基本实验仪器的使用、基本实验技能的训练和基本测量方法与误差分析等知识领域，涉及力学、热学、电磁学、光学、近代物理学等各个学科。

本级物理实验是大学物理实验的基础性、普及性实验，是本科生接受系统实验方法、实验技能训练的开端。

本课程面向理、工、文、商等各专业学生开课。

二、实验教学安排及教学内容1.第3周、第4周：绪论(1)物理实验课程在人才培养中的地位和作用(2)不确定度与数据处理2.第4周：配合不确定与数据处理的实验实验1. 单摆的设计和研究,实验2. 时间测量随机误差的分布规律实验3.第5周---16周：学生按课表大循环做实验每周完成下列实验中的1个实验,每个实验4学时。

“示波器测量时间”、“用天平测量质量”、“直流电表和直流测量电路”、“用热敏电阻测量温度”、“半导体温度计的设计与制作”、“声速的测量”、“直线运动与碰撞”、“钢丝杨氏模量的测量”、“切变模量的测量”、“固体比热容的测量”、“表面张力系数的测定”、“落球法测定液体的粘度”、“交流电及整流滤波电路”、“测量螺线管的磁场”、“透镜参数的测量”、“分光计的调节与使用（8学时）”、“干涉法测微小量”、“用密立根油滴实验测电子电荷”、“光电效应法测普朗克常量”4.第17周：考试按课表大循环学生自主设计完成一个实验，当场交实验报告。

实验题目：固体比热容的测量 83实验目的：采用混合法测固体（锌粒）的比热容。

在热学实验中，系统与外界的热交换是难免的，因此要努力创造一个热力学孤立体系，同时对实验过程中的其他吸热、散热做出校正，尽量使二者相抵消，以提高实验的精度。

实验原理：1.混合法测比热容（1）一个热力学孤立体系，开始处于平衡态，与外界发生热量交换后又达到新的平衡态。

若体系中无化学反应或相变发生，则该体系获得（或放出）的热量为))(...(122211T T c m c m c m Q n n -+++=（T 1，T 2为初温与终温） （1）（2）将m x 的待测物加热到T ’后放入量热器内，达到热平衡（忽略实验过程中对外界的散热或吸热），则有：))(0.2()'(1231112T T cmK VJ c m mc T T c m x x -⋅⋅++=--- （2）（式中c 为水的比热容。

310.2--⋅⋅cm K VJ 代表温度计的热容量，其中V 是温度计浸入到水中的体积）。

2.系统误差的修正采取的措施 （1）使系统近似孤立 （2）采取补偿措施 （3）缩短操作时间（4）严防有水附着在量热筒外 （5）沸点校正（6）实验校正：在被测物体放入量热器前4~5min 就开始测读量热器中水的温度，每隔1min 读一次。

当被测物体放入后，温度迅速上升，此时应每隔0.5min 测读一次。

直到升温停止后，温度由最高温度均匀下降时，恢复每分钟记一次温度，直到第15min 截止。

实验步骤：实验装置如（图1）（1）称出质量为250g 的锌粒，放入试管中隔水加热（注意：水不能溅入）。

在沸水中至少15min ，才可以认为锌粒与水同温。

水沸腾后测出大气压强p 。

（2）在锌粒加热的同时，称出量热器内筒及搅拌器质量m 1，然后倒入适量的水，并加入冰屑 使水温降低到室温下3~4℃（注意：不能使筒外表有水凝结），利用公式（2）估算出水的质量m 后，称出质量m 1+m 。

实验三、固体比热容的测定（冷却法）一、实验目的掌握用冷却法测金属的比热二、实验仪器铝盘、铜盘、金属比热容测量装置、热学综合实验仪三、实验原理单位质量的物质，其温度升高1K （或1℃）所需的热量叫该物质的比热容，其值随温度而变化，测量物质的比热容一般有混合法，冷却法和电热法三种。

对良导体，一般采用冷却法。

将质量为m 1的金属样品加热后，放到较低温度的介质（例如室温的空气）中，样品将会逐渐冷却，其单位时间的热量损失（△Q/△t ）应与温度下降速率成正比（由于金属样品的直径和长度都较小，而导热性能又很好，所以可认为样品各处的温度相同）Q=cm(t 1-t 2)由此到下述关系式：11m c t Q =∆∆t∆∆θ ① 式中C 1为该金属样品在温度θ1时的比热容，t∆∆1θ为金属样品在温度θ1时的温度下降速率，根据牛顿冷却定律有：n S t Q )(0111θθα-=∆∆ ② 式中α1为热交换系数，S 1为该样品外表面的面积，n 为与圆周介质的状况有关的系数，θ1为金属样品的温度，θ0为周围介质的温度，由式①和式②，可得：n S tm c )(0111111θθαθ-=∆∆ ③ 同理，对质量为m 2，比热容为c 2的另一种金属样品，同样有：n S tm c )(0222222θθαθ-=∆∆ ④ 由式③和式④，可得：c 2=c 1n n S t m S t m )()(011122022211θθαθθθαθ-∆∆-∆∆如果两样品的形状和尺寸都相同，即S 1=S 2，两样品表面状况也相同（如涂层，色泽等），而周围采用同样的介质（空气），则有α1=α2，两样品又处于相同温度θ1=θ2=θ时，上式简化为：如果已知标准金属样品的比热容c 1，质量m 1，待测样品的质量m 2及两样品在温度θ时的温度下降速率1⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆t θ和2⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆t θ，就可求得待测金属的比热容c 2。

已知铜在50℃时的比热容为：c=393J/（kg ℃）四、实验内容与步骤内容：测量铝在50℃时的比热容。

固体比热容的测量----冷却法测定金属的比热容实验目的: 学会冷却法测定金属的比热容。

利用铜样品为标准样品,测定铁、铝样品在所规定的温度时的比热容。

实验仪器: 冷却法金属比热容测量仪实验原理：单位质量的某物质, 其温度升高10C 所需要的热量叫做该物质的比热容, 其值随温度的变化而变化。

其单位时间的热量损失（）与温度下降的速率成正比, 于是有：tM C t ∆∆=∆∆111Qθ 根据冷却定律有: m S a tM C )(011111θθθ-=∆∆ 为样品在 温度下时的比热容, 为金属样品在温度为 时温度下降速度, 为热交换系数,为样品外面的面积, 为样品的温度, 为周围介质的温度。

同理：对质量为M2, 比热容为 的另一种金属样品, 可有同样的表达式, m S a tM C )(022222θθθ-=∆∆ 由此可得mm S a t M S a t M C )()(C 0111222022211112θθθθθθ-∆∆-∆∆=如果两样品的形状大小相同 = , 则有22211112C t M t M C ∆∆∆∆=θθ已知样品的比热容 , 则可以求待测金属在此温度下的比热容实验步骤: 1选取样品, 样品的长度, 直径, 表面光洁度尽可能相同2打开仪器, 将仪器的电压示值调零（热端和冷端都在空气中） 3正确放置热端和冷端, 将金属样品放置在相应位置放好4打开热源, 给样品加热至150 0C （电压示值为6.702mV ）后, 断开热源 5温度降至102 0C （示值为4.37mV ）时开始计时, 至98 0C （示值为4.18mV ）时停止计时, 记录数据6每种样品重复测量5次, 将测量结果填入表中。

整理仪器, 实验结束实验数据记录、处理备注: 样品质量热电偶冷端温度: =0 0C 标准值, t=100 0C 时,)Kg J 10393.0C 03Cu C（⨯=)Kg J 1093.0C 03Al C（⨯=)1()(2--=∑n n x xU iA由此可求得: 0.0311 0.0194 0.0329以铜为样品求铁和铝的比热容, 由公式有FeFeFeCu Cu CuCuFe t M t M C ∆∆∆∆=θθC =0.508615310⨯C Kg J 0=∆∆∆∆=AlAl AlCuCu CuCuAl t M t M C θθC 0.0879310⨯C Kg J 0 ])()[()(2)(2)(CuCu t Fe Fe t FeFe C t U t U C C U Fe ∆+∆=∆∆ = 0.0048≈0.005∴=Fe C 0.509310⨯±0.005%37.25%100406.0406.0509.0=⨯-=FrC η %38.5%100093.0088.0093.0=⨯-=Al η由此实验结束。