溫度傳感器在固體比熱容實驗中的運用

張文杰

（玉林師范學(xué)院 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，廣西 玉林537000）

1 傳統(tǒng)固體比熱容實驗的弊端

傳統(tǒng)的固體比熱容實驗使用普通水銀溫度計對溫度進行監(jiān)控［1－3］，實驗中存在如下問題：

1）實驗操作難度大．讀出停表上時間的同時，觀察溫度計并記錄溫度值，不斷地用攪拌器攪拌．學(xué)生不易做成功．

2）達到平衡溫度的時間短，溫度計的水銀柱上升比較快，且其精確度和讀數(shù)的誤差會對實驗結(jié)果造成很大影響．

3）實驗過程中記錄實驗數(shù)據(jù)多，不利于觀察混合過程中溫度變化的規(guī)律．

4）實驗數(shù)據(jù)處理繁瑣．

5）實驗結(jié)果的精度通常較低，很難培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習興趣與嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度．

近年來許多學(xué)者對此實驗進行了改進［4－6］，盡管實驗結(jié)果精度有所提高，但是仍有很多不足．針對以上弊端，將現(xiàn)代傳感器技術(shù)和計算機引入此實驗，進行了如下改進．

2 固體比熱容實驗的改進

2．1 實驗器材

實驗所需材料：鋁塊，水，圓底燒瓶1個，燒杯2個，小量筒1個，鐵架臺1個，加熱器1個，細線，溫度計1個，溫度傳感器1個，數(shù)據(jù)采集器1個（相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件），計算機．

2．2 實驗裝置及操作

實驗裝置如圖1所示．

圖1 實驗裝置圖

用物理天平測量待測金屬塊（鋁塊）的質(zhì)量以及量熱器內(nèi)筒和攪拌器的質(zhì)量；將燒杯中放入適量的水，把待測金屬塊用細線拴好，放入燒杯中，然后將燒杯放到加熱器上加熱至水沸騰一段時間，測出大氣壓強p．具體實驗步驟如下：

1）在量熱器上安裝溫度傳感器，用數(shù)據(jù)線先將溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集器連接起來，再將數(shù)據(jù)采集器和計算機相連接．

2）打開軟件，設(shè)置數(shù)據(jù)采集器，每3 ms采集1個溫度點．

3）點擊主菜單中“坐標繪圖”及“圖線分析與處理”，在“坐標設(shè)置”中點擊“增加”圖線坐標，設(shè)置橫坐標x軸為時間（單位為s），縱坐標y軸為溫度（單位為℃）．

4）將量熱器內(nèi)筒中放入適量的水，并放入少許冰塊讓量熱器中的溫度低于室溫，攪拌讓冰塊完全融化，并將溫度控制在室溫下1～3℃，點擊“采集運行”．

5）將被測金屬塊迅速地取出，放入量熱器中進行攪拌．在“坐標繪圖”中實時記錄整個實驗過程的溫度變化如圖2所示．

圖2 混合溫度變化曲線

2．3 數(shù)據(jù)處理

對“坐標繪圖”中實時記錄的溫度變化曲線進行處理，如圖3所示，“鎖定”吸熱線進行直線擬合，結(jié)果為y＝0．000 786x＋22．285 655；“鎖定”放熱線進行擬合，結(jié)果為y＝－0．000 506x＋27．292 193．點擊“鼠標坐標顯示”，可知高溫金屬塊和水混合時溫度達到室溫的時間，如圖3中A點（x＝653．100 7，y＝25．000 0）所示．將A 點的橫坐標代入吸熱線和放熱線的擬合直線方程，這樣很容易就可以確定混合時水的初始溫度t1（22．80℃）和混合溫度t2（26．96℃）．

圖3 系統(tǒng)散熱修正曲線

2．4 實驗結(jié)果及分析

在25℃的室溫下，用物理天平（TW－1B，精度為0．1 g）對金屬塊（鋁塊）的質(zhì)量m、量熱器內(nèi)筒和攪拌器總質(zhì)量m1及水的質(zhì)量m0進行測量；用量筒（10 m L，精度為0．2 m L）測量傳感器浸入水中的體積V；用溫度計（105℃，精度為0．1℃）測量高溫金屬塊（鋁塊）的溫度t；溫度傳感器插入水中部分的熱容為2．44V［2］（水的比熱容為4．173 J·cm－3·℃－1，鋁的密度為2．70 g·cm－3，比熱容為0．904 J·cm－3·℃－1，其1 cm3的熱容為2．44 J·cm－3·℃－1），測量結(jié)果見表1．

表1 金屬比熱容測定數(shù)據(jù)表

由

得出金屬塊的比熱［2］．

根據(jù)表1數(shù)據(jù)和“坐標繪圖”中圖線處理的結(jié)果，由式（1）可得到被測金屬塊的比熱容為8．95×102J·kg－1·℃－1．在室溫25℃下，鋁塊的標準比熱容為［2］9．04×102J·kg－1·℃－1，其相對誤差約為1．00%（不考慮金屬塊在從加熱爐中取出到投放進量熱器內(nèi)筒的過程中，在空氣中熱量散失的情況下），在誤差范圍內(nèi)實驗結(jié)果和標準值符合得很好．

3 結(jié)束語

將現(xiàn)代傳感器技術(shù)、計算機和傳統(tǒng)的實驗儀器相結(jié)合，采用混合法測量固體的比熱容，簡化了實驗操作過程，降低了實驗技術(shù)難度，提高了精度．實驗中采用了新型高精度、高靈敏度傳感器作為測量工具，能反映高、低溫物體混合過程中溫度的微小變化，能對熱力學(xué)狀態(tài)的變化過程進行跟蹤，學(xué)生通過觀察與測量，加深對熱力學(xué)過程的理解．

［1］ 李正平，王廣泰，李冬梅．新編大學(xué)物理實驗［M］．北京：中國石化出版社，1998：143－146．

［2］ 楊述武．普通物理實驗［M］．北京：高等教育出版社，2000：223－228．

［3］ 吳泳華，霍劍青，熊永紅．大學(xué)物理實驗［M］．北京：高等教育出版社，2001：159－160．

［4］ 張道清，肖世發(fā)．固體比熱容測定溫度修正的改進［J］．重慶文理學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2008（4）：46－48．

［5］ 韓修林，孫梅娟，丁智勇．固體比熱容測定實驗的研究［J］．大學(xué)物理實驗，2010，23（6）：12－15．

［6］ 劉長虹，姚久民，王玉穎．混合法測量固體比熱容實驗的改進［J］．唐山師范學(xué)院學(xué)報，2007（5）：23－25．

［7］ 常相輝，馮先富，張永文，等．不同溫度下空氣比熱容比測量裝置的研究［J］．物理實驗，2011，31（4）：21－23．