“大学物理实验”课程论文

授课学期   2011   学年至   20##   学年

第   二   学期

学院：数学科学学院

专   业 ：数学与应用数学

学号 ：201110700100

姓名  ：殷霞

任课教师  ：阳丽

交稿日期  ：2012年6月1日

冷却法测金属比热容的分析与研究

摘要  根据牛顿冷却定律用冷却法测定金属比热容是热学中常用的方法之一。但在实际操作中由于人的反应时间有限，计时误差较大等原因，使得实验测量精度偏低。本文主要对该实验的实验误差来源进行了探讨。

关键词  比热容 牛顿冷却定律 热电偶  温度 误差

1、    实验简介

（1）实验装置简介

本实验装置如左图所示，热电偶数字显示测温技术是当前生产实际中常用的测试方法，它具有更广的测量范围和更高的精度，并可以自动补偿热电偶的非线性因素等优点。

（2）实验原理和方法

将质量为M₁的金属样品加热后，放到较低温度的介质中，样品将逐渐冷却。其单位时间的热量损失（）与温度下降的速率成正比：

                                                 

根据牛顿冷却定律有：

                                             （2）

                     （3）

这里，为金属样品的比热容，为传热系数，为金属外表面积，与分别为金属与其环境的温度。

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：

                    （4）

由式（3）和（4），可得：

所以

假设两样品的形状尺寸都相同，即 ；两样品的表面状况也相同，而周围介质（空气）的性质当然也不变，则有 。于是当周围介质温度不变（即室温 恒定），两样品又处于相同温度 时，上式可以简化为：

 

                      

2、   实验误差探讨

(1)   室温的变化给测量结果带来的误差

根据测量原理，样品周围的空气温度应为恒定的，即为恒值。但实际情况并不能达到如此。例如，我们需要测量铜的温度由102℃降至98℃所用的时间。在我们大学物理实验中直接进行测量的次数为5次。而每次为了让样品的温度均匀恒定，一般将样品加热到150℃，然后将加热装置移走，盖上防风盖让样品在防风筒内冷却，当样品温度降至102℃时开始计时，降到98℃时停止计时。从样品开始冷却到计时停止大概需要4-5分钟，而同一样品反复多次测量，显然样品周围的空气在不断吸热，导致温度上升。如果一个样品测完后测另一个样品，如铁，若测量铁时空气温度为′，且′>，故对测量室进行修正：

由牛顿冷却定律有：

根据牛顿冷却定律，在自然冷却的情况下为一常数，且>1即<1，所以样品周围空气温度的升高使得测量值相较实际值偏大。

（2）热电偶测温度产生误差

①插入深度的影响

热电偶插入被测位置时，沿着传感器长度方向产生热流，当环境温度低时就会引起热损失。导致热电偶与被测物体温度不一致而产生测温误差。故插入深度影响热传导产生误差。因此，应该尽量插入深一些减少其它变量对实验数据精度的影响。

②冷端温度不均匀产生误差

我们在保温杯中加入的是冰水混合物，如果冰块过少，初始阶段，杯中上端温度比下端低。改变热电偶冷端的插入深度会发现电压表的读数会发生变化。因此，保温杯中应加入尽量多的冰块，且冷端应尽量插在温度均匀的位置。

③冷端温度变化产生误差

热电偶冷端温度要求恒为0℃，但实际上冰块在融化。而整个实验需要的时间较长，极有可能在实验最后冰块已经完全融化，热电偶的冷端不再是0℃。且其处于动态变化中，E与T的关系无法确定，故在实验过程中应注意及时加冰。

④计时引起误差

该试验测量样品温度下降4℃所用的时间，测量仪上的计时装置只需按下“开始”、“暂停”，读数精确到0.01s，但人的反应达不到该精度。因此，每次测量时间都会有零点几秒的差别，而铜与铁的温度分别由102℃ 下降到98 ℃所要的时间也只相差两、三秒而已，因此，引起的误差是相当大的，在实验过程中除了要按键准确快速外，还应考虑对计时装置的改进和研究。

⑤响应时间产生的误差

接触法测温的基本原理是测温元件与被测物体达到热平衡。因此，在测温时需要保持一定的时间才能使它们达到热平衡。保持时间的长短，跟测温元件的热响应时间有关。而热响应时间主要取决于传感器的结构和测量条件，差别很大。对于温度不断变化的测温场所，特别是瞬间变化的过程，全过程仅1s，则要求传感器的响应时间在毫秒级。因此，普通的传感器会赶不上被测对象的温度变化，并且因此而不能达到热平衡产生误差。这两方面都会对本实验造成系统误差。

参考文献：

【1】   张烜，常军民，孙莲等.分析化学实验教学的设想与效果【J】.新疆医科大学学报，2006，29（7），663.

【2】   林琼，胡勤，分析化学开放式实验教学模式的构造与探索【J】.海南大学学报：自然科学版，2009，27（2）：204-206.

【3】   韩得満，贾文平，梁华定.分析化学“开放式实验室”教学模式探索与实践【J】.台州学院学报，2009，31（3）：83-85.

【4】   贾玉润，王公治，凌佩玲.大学物理实验【M】.上海复旦大学出版社，1987

【5】   王魁汉，吴玉峰.谈谈热电偶的测量误差【J】.计量技术，2004

                                                                            

                                 

第二篇：冷却法测量金属比热容论文

专业：数学与应用数学      学号：201110700041      姓名：冯仕福

冷却法测量金属比热容

【摘要】金属比热容的测定是一个非常重要的实验，首先要了解实验的目的、原理和内容，得出数据和结论。虽然实验很简单，但这个内容在实际中应用非常广泛，在航空、航海、建筑等方面更是重中之重！所以我们要认真对待，掌握这门知识。以下是我对本实验的认识、总结和体会心得。

【关键词】目的 原理 内容 数据 总结 体会心得

一 实验目的

1、学会用铜——康铜热电偶测量物体的温度。

2、学会用冷却法测量金属的比热容。

二 实验原理

单位质量的物质，其温度升高或降低1K（1℃）所需的热量，叫做该物质的比热容，其值随温度而变化。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。若已知标准样品在不同温度的比热容，通过作冷却曲线可测量各种金属在不同温度时的比热容。本实验以铜为标准样品，测定铁样品在100℃时的比热容。

冷却法测定金属的比热容测量仪装置

(实验装置由加热仪和测试仪组成。加热仪的加热装置可通过调节手轮自由升降。被测样品安放在有较大容量的防风圆筒即样品室内的底座上，测温热电偶放置于被测样品内的小孔中。当加热装置向下移动到底后，对被测样品进行加热；样品需要降温时则将加热装置移上。仪器内设有自动控制限温装置，防止因长期不切断加热电源而引起温度不断升高。)

将质量为的金属样品加热后，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（）与温度下降的速率成正比，于是得到下述关系式：

                      （1）

式中为该金属样品在温度时的比热容，为金属样品在的温度下降速率，

根据冷却定律有：

                   （2）

式中 为热交换系数为该样品外表面的面积，m为常数，为金属样品的温度，为周围介质的温度。由式（1）和（2），可得

              （3）

同理对质量为，比热容为的另一种金属样品，可有同样的表达式：

             （4）

由（3）和（4）式，可得：

            （5）

所以               （6）

如果两样品的形状尺寸都相同，即；两样品的表面状况也相同（如涂层、色泽等），而周围介质（空气）的性质当然也不变，则有。于是当周围介质温度不变（即室温恒定而样品又处于相同温度）时，上式可以简化为：

                            （7）

如果已知标准金属样品的比热容质量；待测样品的质量及两样品在温度时冷却速率之比，就可以求出待测的金属材料的比热容。

几种金属材料的比热容见表1，实验装置（如上图）。

                          表1

三 实验内容

1.        开机前先连接好加热仪和热电偶测温仪，共有加热器芯线和热电偶线两组线。使热电偶端的铜导线数字表的正端相连；冷端铜导线与数字表的负端相连。将热电偶温度计的冷端插入冰水混合物中（热端则固定在仪器的防风筒内），样品放置在热电偶的热端。

2.   选取长度、直径、表面光洁度尽可能相同的三种金属样品（铜、铁、铝）用物理天平或电子天平秤出它们的质量。再根据这一特点，把它们区别开来。

3.   当样品加热到150℃（此时热电势显示约为6.70mV）时，切断电源移去加热源，样品继续安放在与外界隔绝的金属圆筒内自然冷却（筒口须盖子）。当温度降到接近102℃（此时热电势显示约为4.37mV）时开始记录，测量样品102℃下降到98℃（此时热电势显示约为4.18mV）所需要时间。按铁、铜的次序，分别测量其温度下降速度，每一样品得重复测量5次。因为各样品的温度下降范围相同（Δθ=102℃-98℃ =4℃）所以公式（7）可以简化为：

                    （8）

四 实验数据

样品质量：热电偶冷端温度：0℃样品由102℃下降到98℃所需时间（单位为S）

                       表2

以铜为标准：

铁：

误差分析: ΔC=0.0320

          ΔC=（0.1270）

结论：在误差允许的范围内，铁的比热容为（0.1270）。

四、总结

大学物理实验是高等院校理工专业重要的基础课，其目的是培养学生掌握实验的基本理论、方法和技巧；培养学生严谨的思维能力和创新精神，特别是与现代科学技术发展相适应的综合能力；培养严肃认真的工作作风和科学态度；巩固和加深对课堂基础知识的理解。对于我们将来独立从事实际工作十分必要的。因此，我们应做到以下几点：

1、养成课前预习的好习惯。 实验时,为了在规定的时间内快速高效率地完成实验,达到良好的实验效果, 需要认真地预习,才能在课上更好的学习，收获的更多、掌握的更多。然后写预习报告，包括目的,原理,仪器,操作步骤,数据表格,数据处理，误差分析等。

2、大学物理实验培养了我做事的耐心与细心，培养自己的动手能力。现在，大学生的动手能力越来越被人们重视，大学物理实验正好为我们提供了这一平台。每个实验我都亲自去做，不放弃每次锻炼的机会。

3、做实验时一定要依据实验步骤进行，切勿急于求成。一些小细节也要特别注意，实验操作过程中我们需要严格遵守实验各项原则，将实验仪器放置在合理的位置，确保安全使用，避免出现不必要的误差，以得到正确的实验结论。

4、实验数据是实验数据分析的依据，是探索和验证物理规律的第一手资料，在系统误差一定的情况下，实验数据处理的恰当与否，会直接影响偶然误差的大小。在实验数据的记录及处理中，我们应始终秉持一颗诚实之心，记录和处理属于自己的那一组最成功的数据。

5、实验报告是对整个实验的文字报告，是实验的过程的总结。实验报告是对我们的动手能力、写作能力和总结能力的一种锻炼，实验报告也促进我们对实验过程以及所得结论进行更深刻的思考。我们的实验报告应包括实验过程中所出现的实验现象以及对这些现象的解释，实验中所遇到的问题以及解决方法，实验数据的记录以及对数据进行计算并求得最终结果，验证跟理论值是否相符，误差的大小，最终得出的结论，对实验进行总结。

通过对大学物理实验课的学习，加深了我对有关物理知识的理解，培养了我们正确的科学实验习惯，提高我们的动手能力、观察分析能力和创新能力。学大学物理实验这门课程，是对个人能力的一种锻炼，它不但锻炼我们的细心、耐心，而且使我养成了良好的学习习惯和严谨的学习态度。这一学期物理实验课程的学习，使我受益匪浅。

参考文献

 1 何光宏 陶纯匡 《大学物理实验》重庆大学 20## 年第二期

 2 吴泳华 霍剑青 熊永红 《大学物理实验》 北京高等教育出版社 20##

3 杨述武 《普通物理实验》 北京高等教育出版社 20##

 4 杨俊才 《大学物理实验的重要性》 机械工业出版社 20##

 5 肖红 《大学物理实验》 中国科技出版社 1998

 6 覃以威 《大学物理实验》 广西师范大学出版社 2010.8