长江大学：物理与光电工程学院（物理实验）热功当量的测量

课题电热当量教学目白的了解电流作功与热量的关系重难点1.电路连线2.温度的读取教学方法讲授、讨论、实验演示相结合学时3个学时一、前言在没有认识热的本质以前，热量、功、能量的关系并不清楚，所以它们用不同的单位来表示。热量的单位用卡路里，简称卡。焦耳认为热量和功应当有一定的当量关系，即热量的单位卡和功的单位焦耳间有一定的数量关系。他从1840年开始，到1878年近40年的时间内，利用电热量热法和机械量热法进行了大量的实验，最终找出了热和功之间的当量关系。如果用W表示电功或机械功，用Q表示这一切所对应的热量，则功和热量之间的关系可写成W=JQ，J即为热功当量。在1843年，焦耳用电热法测得的J值大约为4.568焦/卡；用机械方法测得的J值大约为4.165焦/卡。目前公认的热功当量值为：在物理学中J=4.1868焦／卡（其中的“卡”叫国际蒸汽表卡）在化学中J=4.1840焦/米（其中的“卡”叫热化学卡）。现在国际单位已统一规定功、热量、能量的单位都用焦耳，热功当量就不存在了。但是，热功当量的实验及其具体数据在物理学发展史上所起的作用是永远存在的。焦耳的实验为能量转化与守恒定律奠定了基础。二、实验仪器DW-1电阻丝量热器、DM-A2数字电流表、TW-0.5物理天平、DM-T数字温度计、DM-V4数字电压表、WYT-20直流稳压电源、DM2-001秒表、BX7-12滑线变阻器、KH-1开关

课 题 电热当量 教 学 目 的 了解电流作功与热量的关系 重 难 点 1．电路连线 2．温度的读取 教 学 方 法 讲授、讨论、实验演示相结合 学 时 3 个学时 一、前言 在没有认识热的本质以前，热量、功、能量的关系并不清楚，所以它们用不同的单位 来表示。热量的单位用卡路里，简称卡。焦耳认为热量和功应当有一定的当量关系， 即热量的单位卡和功的单位焦耳间有一定的数量关系。他从 1840 年开始，到 1878 年 近 40 年的时间内，利用电热量热法和机械量热法进行了大量的实验，最终找出了热 和功之间的当量关系。如果用 W 表示电功或机械功，用 Q 表示这一切所对应的热量， 则功和热量之间的关系可写成 W＝JQ，J 即为热功当量。在 1843 年，焦耳用电热法 测得的 J 值大约为 4．568 焦／卡；用机械方法测得的 J 值大约为 4．165 焦／卡。 目 前公认的热功当量值为：在物理学中 J＝4．1868 焦／卡（其中的“卡”叫国际蒸汽 表卡）；在化学中 J＝4．1840 焦／米（其中的“卡”叫热化学卡）。 现在国际单位已统一规定功、热量、能量的单位都用焦耳，热功当量就不存在了。 但是，热功当量的实验及其具体数据在物理学发展史上所起的作用是永远存在的。焦 耳的实验为能量转化与守恒定律奠定了基础。 二、实验仪器 DW-1 电阻丝量热器、DM-A2 数字电流表、TW-0.5 物理天平、DM-T 数字温度计、DM-V4 数字电压表、WYT-20 直流稳压电源、DM2-001 秒表、BX7-12 滑线变阻器、KH-1 开关

三、实验原理仪器装置如图所示，M与B分别为量热器的内外两个圆简，C为绝缘程度，D为绝缘盖，为两个铜金属棒，用以引入加热电流，F是绕在绝缘材料上的加热电阻丝，G是搅拌器，H为温度计，E为稳压电源。A1强度为安培的电流在t秒内通过电热丝，电热丝两端的电BW=位差为U伏特。则电场力做功为HGN(1)IUt这些功全部转化为热量，此热量可以用量热器来测量。设m表示量热器内圆筒质量，C表示其比热。m表示铜电极和铜搅拌器的质量，C表示其比热。m表示量热器内圆简中水的质量，C表示水的比热，T和T表示量热器内圆简及圆简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(2)所以W=QQ=（mG+mC+mC）（T-T）通过实验检验此式是否相等。四、实验内容与步骤1：用天平称量出量热器内简质量m简。然后向量热器内简注入水，水的体积占内筒容积1/2左右。用天平称出筒和水的总质量m，则m水=m一m简

三、实验原理 仪器装置如图所示，M 与 B 分别为量热器的内外两个圆筒，C 为绝缘程度，D 为绝缘盖，J 为两个铜金属棒，用以引入加热电流，F 是绕在绝缘材料上的加热电阻 丝，G 是搅拌器，H 为温度计，E 为稳压电源。 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 W＝ IUt （1） 这些功全部转化为热量，此热量可以用量热器来测量。设 m1表示量热器内圆筒质 量，C1表示其比热。m2表示铜电极和铜搅拌器的质量，C2表示其比热。m3表示量热器 内圆筒中水的质量，C3表示水的比热，T1和 T2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＝（m1C1＋m2C2＋m3C3）（T2－T1） （2） 所以 W=Q 通过实验检验此式是否相等。 四、实验内容与步骤 1．用天平称量出量热器内筒质量 m 筒。然后向量热器内筒注入水，水的体积 占内筒容积 1／2 左右。用天平称出筒和水的总质量 m，则 m 水＝m－m 筒

2.将量热器内简放入外简，电阻丝、搅拌器放入水中，盖上盖板，按图连好电路。读出量热器系统初温T并记录。3.调电源电压，输出为15.0伏左右，闭合开关同时启动秒表记时，并迅速调节变阻器使电流在（0.700一1.000）安培。以后要随时观察电流表和调整变阻器，使电流值保持稳定。通电过程中，不断轻微搅拌水，以加速热传导。读出电流表和电压表的示数并记录。4，过15分钟左右，断开开关，并同时停止计时。继续搅拌水并观察温度计示数读出温度T2。记录通电时间t、未温T2。5.将记录数据代入公式计算，求出百分误差。五、数据表格及数据处理1．自拟数据表格记录数据；m水（千克）T. (℃)T, (℃)t (秒)m（千克）I (安)U(伏）W（焦耳）Q（焦耳）1.049*1049.952*1030.185250.2983613.2320.35815.450.93813.72百分误差：E=(W-Q)/W5. 13%（玻璃比热容：752I/Kg：K：水比热容：4182I/Kg·K：铜比热容：385J/Kg·K）(J)W=IUt=13.72*0.938*815.45=1.049*10

2．将量热器内筒放入外筒，电阻丝、搅拌器放入水中，盖上盖板，按图连好电路。 读出量热器系统初温 T1并记录。 3．调电源电压，输出为 15.0 伏左右，闭合开关同时启动秒表记时，并迅速调节变阻 器使电流在（0.700－1.000）安培。以后要随时观察电流表和调整变阻器，使电流值 保持稳定。通电过程中，不断轻微搅拌水，以加速热传导。读出电流表和电压表的示 数并记录。 4．过 15 分钟左右，断开开关，并同时停止计时。继续搅拌水并观察温度计示数， 读出温度 T2。记录通电时间 t、末温 T2。 5．将记录数据代入公式计算，求出百分误差。 五、数据表格及数据处理 1．自拟数据表格记录数据； m 筒（千克） m 水（千克） T1（℃） T2（℃） t（秒） I（安） U（伏） W（焦耳） Q（焦耳） 0.18525 0.29836 13.23 20.35 815.45 0.938 13.72 1.049*104 9.952*103 百分误差：E=(W-Q)/W 5.13% (玻璃比热容：752J/Kg·o K；水比热容：4182J/Kg·o K；铜比热容：385J/Kg·o K) W＝IUt= 13.72*0.938*815.45 =1.049*104 (J)

Q=（mC+mC+mC）（T2—T）=（0.18525*752+0.0279*385+0.29836*4182）(J)*（20.35-13.23)=9.952*103E=(W-Q)/W=5.13%六、注意事项1：物理天平称量时，既要准确又要注意安全。2.数字温度计要浸入水中，但又不能触及电热丝，也不要查得很深。3.电路接好后，须经指导教师检查无误后，才能接通电源，注意电表的正负极性不要接反。4：只有当电热丝浸入在水中才能通电，否则，电热丝可能会被烧坏。5.实验完毕立即将杯中的水倒掉，以免腐蚀电极。七、教学后记1：本实验要测量的数据不多，实验的实际操作比较简单，因而学生感到完成实验难度不大。2.接线要正确，特别是电压表的接法。对学生强调注意事项。3.实验中要让学生在出现故障时，学会排除故障，并且能够自己动手解决问题，培养学生的动手能力

Q＝（m1C1＋m2C2＋m3C3）（T2－T1）=（0.18525*752+0.0279*385+0.29836*4182） *( 20.35-13.23 )=9.952*103 (J) E=(W-Q)/W=5.13% 六、注意事项 1．物理天平称量时，既要准确又要注意安全。 2．数字温度计要浸入水中，但又不能触及电热丝，也不要查得很深。 3．电路接好后，须经指导教师检查无误后，才能接通电源，注意电表的正负极性 不要接反。 4．只有当电热丝浸入在水中才能通电，否则，电热丝可能会被烧坏。 5．实验完毕立即将杯中的水倒掉，以免腐蚀电极。 七、教学后记 1．本实验要测量的数据不多，实验的实际操作比较简单，因而学生感到完成实 验难度不大。 2．接线要正确，特别是电压表的接法。对学生强调注意事项。 3．实验中要让学生在出现故障时，学会排除故障，并且能够自己动手解决问题， 培养学生的动手能力

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