空气比热容比的测量实验报告

时间:2024.3.27

空气比热容比的测量

班级:电子六班              学号:201131190611          姓名:官镇校

一、  实验目的

测量室温下的空气比热容比。

二、  实验仪器

储气瓶一套(包括玻璃瓶、活塞两只、橡皮塞、打气球)、两只传感器(扩散硅压力传感器和电流型集成温度传感器AD590各一只)、测空气压强的三位半数字电压表、测空气温度的四位半数字电压表、连接电缆及电阻。

三、  实验的基本构思与原理

在理想热学实验中.应遵循两条基本原则:其一是保持系统为孤立系统;其二是测量一个系统的状态参量时,应保证系统处于平衡态。这就要求设计实验时要选择好和把握好观察过程,同时也要做一些必要的近似处理。空气比热容比实验的基本装置如图图3-5-1所示。下面我们以储气瓶内的空气作为热学系统研究对象进行研究,实验过程如下:

(1)首先打开C2,储气瓶与大气瓶相通,当瓶内充满与周围空气同压强同温度的气体后,再关闭活塞C2

    (2)打开充气活塞,将原处于环境大气压强为、室温为的空气,用打气球从活塞处向瓶内打气,充入一定量的气体,然后关闭充气活塞。此时瓶内空气被压缩而压强增大,温度升高,得带瓶内的气体处于状态,其中为气瓶容积。

    (3)然后迅速打开放气阀门,使瓶内空气与周围大气相通,瓶内气体做绝热膨胀,将有一部分体积为的气体喷泄出储气瓶。当听不见气体冲出的声音,即瓶内压强为大气压强,瓶内温度下降到,此时,立即关闭放气阀门。由于放气过程较快,瓶内保留的气体来不及与外界进行热交换,可以认为是一个绝热膨胀过程。在此过程后,瓶内保留的气体由状态转变为状态。

(4)由于瓶内气体温度低于室温,所以瓶内气体慢慢从外界吸热,直至达到室温为止,此时瓶内气体压强也随之增大为。稳定后的气体状态为,从状态到状态的过程可以看作是一个等容吸热的过程。

总之,气体从状态到状态是绝热过程,由泊松公式得(把绝热膨胀后留在瓶内的这部分气体作为热力学系统)

                                (3-5-1)

从状态到状态是等容过程,对同一系统,由盖吕萨克定律得

                                  (3-5-2)

由式(3-5-1)和式(3-5-2)可得

                           

两边取对数,化简得

                                        (3-5-3)

利用式(3-5-3),通过测量P0、P1和P2的值就可求得空气的比热容比的值。

四、  实验数据记录与分析

1、数据记录:

            表3-5-1           数据记录参考用表

周围大气压强P0=102kPa    ;实验开始前的室温T0=

可得,空气比热容比的标准偏差大小为

=0.01

测定空气比热容实验中,提早关闭放气阀将导致P2增大,从而导致所测得的结果偏大;推迟关闭气阀将导致P2减小;从而导致所测得的结果偏小。


第二篇:大学物理空气比热容的测量实验报告


大物实验报告撰写模板2

空气比热容比的测定

   

在热学中比热容比是一个基本物理量。过去,由于实验测量手段的原因使得对它的测量误差较大。现在通过先进的传感器技术使得测量便得简单而准确。本实验通过压力传感器和温度传感器来测量空气的比热容比。

一、实验目的

1. 用绝热膨胀法测定空气的比热容。

2. 观察热力学过程中状态变化及基本物理规律。

3. 学习气体压力传感器和电流型集成温度传感器的原理及使用方法。

二、实验原理

理想气体定压摩尔热容量和定体摩尔热容量之间的关系由下式表示

                                                               (4-6-1)

其中, 为普适气体常数。气体的比热容比定义为

                                  (4-6-2)

气体的比热容比也称气体的绝热系数,它是一个重要的物理量,其值经常出现在热力学方程中。

测量仪器如图4-6-1所示。1为进气活塞C1,2 为放气活塞C2,3为电流型集成温度传感器,4为气体压力传感器探头。实验时先关闭活塞C2,将原处于环境大气压强为P0、室温为T0的空气经活塞C1送入贮气瓶B内,这时瓶内空气压强增大,温度升高。关闭活塞C1,待瓶内空气稳定后,瓶内空气达到状态Ⅰ(),V1为贮气瓶容积。

然后突然打开阀门C2,使瓶内空气与周围大气相通,到达状态Ⅱ(后,迅速关闭活塞C2。由于放气过程很短,可认为气体经历了一个绝热膨胀过程,瓶内气体压强减小,温度降低。绝热膨胀过程应满足下述方程

                            (4-6-3)

在关闭活塞C2之后,贮气瓶内气体温度将升高,当升到温度T0时,原气体的状态为Ⅰ()改变为状态Ⅲ(),两个状态应满足如下关系:

                            (4-6-4)

由(4-6-3)式和(4-6-4)式,可得

                 (4-6-5)

利用(4-6-5)式可以通过测量P0P1P2值,求得空气的比热容比值。

      

图4-6-1 测量仪器示意图                           图4-6-2  系统连接图

三、实验仪器

NCD-I型空气比热容比测量仪由如下几个部分组成:贮气瓶(由玻璃瓶、进气活塞、橡皮塞组成)、两只传感器(扩散硅压力传感器和电流型集成温度传感器AD590各一只)、测空气压强的三位半数字电压表、测空气温度的四位半数字电压表。测空气压强的数字电压表用于测量超过环境气压的那部分压强,测量范围0~10000Pa,灵敏度为20mv/Kpa(表示1000Pa的压强变化将产生20mv的电压变化,或者50Pa/mv,单位电压变化对应50Pa的压强变化)。实验时,贮气瓶内空气压强变化范围为6000Pa。

图4-6-1实验装置中,温度传感器3是新型半导体温度传感器,其测量灵敏度高,线性好,测温范围为-50~150℃,接6V直流电源后组成一个稳流源。它的测温灵敏度单位为1μA/℃,若串接5KΩ电阻后,可产生5mv/℃的信号电压,接0~2V量程四位半数字电压表,可检测到最小0.02℃温度变化。气体压力传感器探头4由同轴电缆线输出信号,与仪器内的放大器及三位半数字电压表相接。当待测气体压强为环境大气压P0时,数字电压表显示为0,当待测气体压强为P0+10000Pa时,数字电压表显示为200mv,仪器测量气体压强灵敏度为20mv/ 1000Pa。

四、实验步骤

1. 按图4-6-2接好仪器的电路,注意AD590的正负极不要接错。用Forton式气压计测定大气压强P0,用水银温度计测量环境温度。开启电源,将电子仪器部分预热20分钟,然后用调零电位器调节零点,把三位半数字电压表示值调到0。

2. 将活塞C2关闭,活塞C1打开,用打气球把空气稳定地徐徐进入贮气瓶B内,用压力传感器和AD590温度传感器测量空气的压强和温度,记录瓶内压强均匀稳定时压强P1和温度T0(室温为T0)(P1取值范围控制在130mV~150mV之间。由于仪器只显示大于大气压强的部分,实际计算时式(4-6-5)中的压强P1应加上周围大气压强值)。

3. 突然打开活塞C2,当贮气瓶的空气压强降低至环境大气压强P0时(这时放气声消失),迅速关闭活塞C2

4. 当贮气瓶内空气的温度上升至室温T0时,记下贮气瓶内气体的压强P2(由于仪器只显示大于大气压强的部分,实际计算时式(4-6-5)中的压强P2应加上周围大气压强值)。

5. 用公式(4-6-5)进行计算,求得空气比热容比值。

五、注意事项

1. 在实验步骤3打开活塞C2放气时,当听到放气声结束应迅速关闭活塞,提早或推迟关闭活塞C2,都将影响实验结果,引入误差。

2. 实验要求环境温度基本不变,如发现环境温度不断下降,可在远离实验仪器处适当加温,以保证实验正常进行。

六、数据记录与处理

   1.参考表4-6-1记录实验数据。

   2.计算空气比热容比的平均值和标准偏差,给出测量结果。

表4-6-1  数据纪录参考用表

七、思考题

1.打开活塞C2放气时, 提早或推迟关闭如何影响测量结果?

2.环境温度的逐渐升高或下降会对实验结果产生什么影响?

实验4-7  万用表和惠斯登电桥的使用

万用表即万用电表,它是电学最常用的一种测量仪器,它不仅可以测量交流和直流电压,还可以测量直流电流和电阻,一表多能,掌握万用表的使用方法是电学实验的基本要求之一。电桥也是一种常用的电学测量仪器,其原理是比较法,因而具有灵敏度高和使用方便的特点。利用电桥不仅可以测量电阻、电容和电感等电学量,还可以将温度、压力等非电量以电量的形式测量出来,因此应用十分广泛。在各种电桥中,惠斯登电桥是一种最基本的电桥,本实验以惠斯登电桥为基础,采用交换法和代替法精密测量电阻,同时学习万用表的使用方法。

一、实验目的

1. 掌握万用表的正确使用方法。

2. 掌握惠斯登电桥的原理和测量方法。

3. 了解代替法和交换法的测量原理。

二、实验仪器

标准电阻箱两个、滑线变阻器两个、电流表、灵敏度达到10-9A的数字式检流计、数字式万用表、直流稳压电源。

三、实验原理

万用表的原理和使用方法见第二章的相关章节.惠斯登电桥的原理如图4-7-1所示,它是由四个电阻R1R2R0Rx连接而成的四边形,每一边称为电桥的一个桥臂,四边形的两个ABCD对角分别与电源E和电流表G相连。所谓桥的意思是指电流表G跨接CD,其作用是将桥的两个端点CD的电位进行比较。当CD的电位相等时称为电桥平衡,此时,电流表G中无电流通过。

          图4-7-1  惠斯登电桥示意图                     图4-7-2 实际电桥测量回路示意图

    本实验的两臂R1R2由滑线变阻器H1以滑动头为分界点的两边电阻构成,RxR0分别代表未知电阻和标准电阻箱的标称阻值。为了限制电路的电流,电源要通过另一个滑线变阻器H2再与电桥相连。当电阻箱的阻值R0为一定时,通过滑动H1的滑动头使电桥平衡,这时电路满足如下关系

                                                     (4-7-1)

根据欧姆定律可得

                             (4-7-2)

将(4-7-2)式各式代入(4-7-1)式得:

                                                    (4-7-3)

比较上面两式并考虑电桥平衡时,,得

                                                                  (4-7-4)

由式(4-7-4)可知,如果知道R1R2R0的阻值,未知电阻Rx便可计算出来。由于R1R2阻值的精确性影响未知电阻阻值的精确性,本实验不是直接将R1R2R0的阻值代入式(4-7-4)计算未知电阻Rx,而是采用代替法和交换法获得未知电阻的阻值,这样可以不考虑R1R2阻值的精确性对未知电阻阻值的影响,也可以避免测量电路的系统误差对未知电阻阻值的影响。

1.代替法

    在上述电桥平衡的基础上,如果移去未知电阻Rx,而用另一个阻值可调的电阻箱Rd代替未知电阻,改变电阻箱Rd的阻值而其他部分保持不变,当电桥重新恢复到平衡状态时,电路满足如下关系

                                                               (4-7-5 )

由于R1R2Rx 不变,所以Rd = Rx,即电阻箱Rd 此时的读数等于未知电阻的阻值,这种方法即为代替法

2.交换法                                

    在电桥平衡的基础上,如果交换未知电阻Rx和已知电阻R0,这时电路将不平衡。保持其他部分不变而仅仅改变R0的阻值,使电路重新恢复平衡状态。如果这时电阻箱的阻值变为R02.则电路满足如下关系

                                                                 (4-7-6 )

由于R1R2Rx不变,比较(4-7-4)和(4-7-6)式,得

                                                              (4-7-7)

其中为第一次电路平衡时的电阻箱的阻值,为第二次电路平衡时的电阻箱的阻值,这种方法即为交换法

四、实验步骤与数据记录

1.数字式万用表的使用

(1)将万用表档位拨到欧姆档。根据电阻的标称值,确定适当的档位(电阻值的数量级),测

量电阻Rx的阻值。

(2)将测量结果记录在表4-7-1。

  2.惠斯登电桥的使用

(1)分别设定已知电阻箱的阻值为100Ω、150Ω、200Ω、250Ω、300Ω,按代替法的原理

测量未知电阻的5个值,将测量结果记录在表4-6-1中,求出未知电阻的平均值和标准差。注意有效数字的运算规则。

(2)分别设定已知电阻箱的阻值为100Ω、150Ω、200Ω、250Ω、300Ω,按交换法的原理

计算未知电阻的5个值,将测量结果记录在表4-7-2中。求出未知电阻的平均值和标准差,注意有效数字的运算规则。

表4-7-1  代替法测量数据

   

表4-7-2  交换法测量数据

五、思考题

1.电桥法测量电阻的原理是什么?

2.调节电桥平衡时,假如发现电桥根本找不到平衡,可能原因是什么?

3.影响电桥灵敏度有那些因素,什么措施可以提高电桥灵敏度?

         

空气比热容比的测量

一、        实验目的:    

测量室温下的空气比热容比;学习用绝热膨胀法测定空气的比热容比;观测热力学过程中状态变化及基本物理规律。

三、实验器材:

储气瓶一套(包括玻璃瓶、活塞两只、橡皮塞、打气球)、两只传感器(扩散硅压力传感器和电流型集成温度传感器AD590各一只)、测空气压强的三位半数字电压表、测空气温度的四位半数字电压表、连接电缆及电阻。

四、实验原理:

遵循两条基本原则:其一是保持系统为孤立系统;其二是测量一个系统的状态参量时,应保证系统处于平衡态。

气体的定压比热容和定容比热容之比称为气体的比热容比,用符号表示(即),又称气体的绝热系数。

如图所示,实验开始时,首先打开活塞C2,储气瓶与大气相通,当瓶内充满与周围空气同压强同温度的气体后,再关闭活塞C2。

打开充气活塞C1,将原处于环境大气压强为、室温为的空气,用打气球从活塞C1处向瓶内打气,充入一定量的气体,然后关闭充气活塞C1。此时瓶内空气被压缩而压强增大,温度升高,等待瓶内气体温度稳定,即达到与周围温度平衡。此时的气体处于状态I(,,),其中为储气瓶容积。

然后迅速打开放气阀门C2,使瓶内空气与周围大气相通,瓶内气体做绝热膨胀,将有一部分体积为的气体喷泻出储气瓶。当听不见气体冲出的声音,即瓶内压强为大气压强,瓶内温度下降到<),此时,立即关闭放气阀门C2,。由于放气过程较快,瓶内保留的气体由状态I(,,)转变为状态(,,)。

由于瓶内气体温度低于室温,所以瓶内气体慢慢从外界吸热,直至达到室温为止,此时瓶内气体压强也随之增大为。稳定后的气体状态为(,,),从状态到状态的过程可以看作是一个等容吸热的过程。

总之,气体从状态I到状态是绝热过程,由泊松公式得:

                                                   (1)

从状态到状态是等容过程,对同一系统,由盖吕萨克定律得

                                                      (2)

由以上两式子可以得到

                                                 (3)

   两边取对数,化简得

         (4)

利用 (4)式,通过测量的值就可求得空气的比热容比的值。

五、实验步骤:

1、按图接好仪器的电路,注意AD590的正负极不要接错。用Forton式气压计测定大气压强,用水银温度计测量环境温度。

2、开启电源,将电子仪器部分预热20min,然后用调零电位器调节零点,把三位半数字电压表示值调到0。

3、将活塞C2关闭,活塞C1打开,用打气球把空气稳定地徐徐地打入储气瓶B内,用压力传感器和AD590温度传感器测量空气的压强和温度,记录瓶内压强均匀稳定时压强和温度(室温为)(取值范围控制在130~150mV之间。由于仪器只显示大于大气压强的部分,实际计算时式(4)中的压强=+)。

4、突然打开活塞C2,当储气瓶的空气压强降低至环境大气压强时(即放气声消失),迅速关闭活塞C2。

5、当储气瓶内空气的气压稳定,温度上升至室温时,记下储气瓶内气体的压强(由于仪器只显示大于大气压强的部分,实际计算时式(4)中的压强=+ )。

6、记录完毕后,打开C2放气,当压强显示降低到“0”时关闭C2.

7、重复步骤2~6。

8、用测量公式(4)进行计算,求得空气比热容比值。

六、实验数据记录

实验数据处理

提前关闭时 提前关闭时测量结果偏大

推迟关闭时 推迟关闭时测量结果偏小

预习思考题

1.泊松公式成立的条件是什么?

答:气体从状态I到状态是绝热过程。

2.比热容比之中,并没有温度出现,那为什么要用温度传感器AD590来精确测定温度呢?

操作后思考题

1.怎样做才能在几次重复测量中保证的数值大致相同?这样做有何好处?若的数值很不相同,对实验有无影响?

答:关键是容器绝热效果要好。另外每次的程序,完成时间,环境要相同,实验数据大致相同,说明偶然误差小,才有说服力。

2.打开活塞放气时,若提前关闭或滞后关闭活塞,各会给实验带来什么影响?

答:提前关闭会使测量结果偏大,滞后关闭会使测量结果偏小。

3.本实验的误差来源于哪几个方面?最大误差是哪个因素造成的?怎样减少误差?

答:实验装置漏气、关闭活塞时间的控制。多测量几组数据,求平均值。

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