书城科普读物动手做实验丛书--热学实验改进设计实践
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第12章 温度、热量与比热实验的操作与改进(2)

这不免失去了实验演示的意义。为了改变这种状况,增强演示效果。湖北省宜城县孔湾中学蒋文才老师自制了装置如图12所示“比热概念引入演示仪”。

在两个平底烧瓶中,分别装入质量和温度都相同的水和煤油,用两个同样的酒精灯给它们同时加热,从用两个完全相同的折形玻璃管自制的气体温度计中,看谁先上升1℃(可先设计好温升1℃时红色液柱到达的位置,也可以先假设一个位置为温度升高1℃,如图12所示)。

图12用这个装置作演示实验,全班学生都能很清楚地看到煤油里的气体温度计中的红色液柱先上升至1℃位置,说明煤油温度升高比水快。于是,继续实验说明:要使水温也升高到1℃位置,就得给水加热更长的时间。换句话说,就是水吸收的热量多,煤油吸收的热量少。于是得出结论:“质量相等的不同物质升高相同的温度,吸收的热量不相等。”为了消除学生对两酒精灯供热不相同的疑虑,可待两自制气体温度计中红色液柱回到零点后,交换酒精灯重作此实验。

测比热实验的简化

初中物理学生分组实验——测定物质的比热,所用器材繁杂,每组需量热器、天平、铁架台、酒精灯、烧杯、量筒等仪器和辅助用品如保温瓶等近20种(件)之多,这对于大多数仪器设备简陋的农村中学,实在不易进行。为完成教学标准的要求,河南省南阳县英庄一中杨洁恬老师对此实验进行了如下简化,使其简便易行,同时也达到了此实验的“学习用量热器测定物质的比热”这一教学目的。

原实验设计首先要用天平测出金属块的质量。对此步骤,我们将其简化为以50克的铁质钩码代替被测金属块。由于钩码质量已知,从而省去了天平、砝码等器材和测质量的过程。对此实验步骤,只需记下金属块(即钩码)的质量为50克即可。

接下来用水浴法对金属块加热的步骤,我们将其简化为只把金属块放入装有开水的烧杯中,直接利用开水的热传递对金属块加热,十余分钟后,用温度计测出此时烧杯中的水温,即金属块的初温。与原实验设计相比,省去了铁架台、酒精灯、石棉网等一套加热设备,烧杯亦可用其他容器代替,因此简便易行。

由于省略了酒精灯加热过程,会使实验中的温差有所减小,故简化后的实验,应注意如下细节:

①所用烧杯,容积应较大些,以尽量多装些开水,从而减小在十余分钟加热过程中水温的下降幅度。

②所用开水,应在上课前装入保温瓶中,使其温度尽量高些,以不低于80℃为宜。

③加热过程中,烧杯应该加盖,以减少散热。

④温度计待加热十余分钟后再加入。测出水的即时温度后,应立刻取出金属块,投入量热器小筒的水里,以减小误差。

其他的实验步骤,仍按原实验设计进行。

简化后的实验,先后共省去了天平、砝码、铁架台、酒精灯、石棉网等器材,使测比热实验只需一台量热器、两支温度计、一个50克钩码、一只量筒即可完成(其他器材均易置备或易找到代用品)。因此,一般中学,甚至条件较差的农村中学都可进行。简化后的实验,省略了测质量和加热的实验过程,更有利于突出教学重点,使学生集中精力学好测定物质比热的方法。而且由于缩短了实验的有效时间,也更便于学生实验的分组进行。

比热实验装置的改进

中学测物质比热的实验是利用量热器进行的,量热器的大小筒是用热的良导体铝(或铜)制成的,热辐射强,整个装置绝热性能不好,测得结果误差较大,四川巴中市顶山中学蒲江老师在教学中用保温杯代替量热器作此实验,效果更为理想。

实验所用保温杯装置如图13所示,实验时,选取合适的保温杯,对装置稍作改进:将保温杯塑料盖取出来,换上软木塞。然后在盖的中间开一个刚好能插入温度计的小孔。再在离盖中心约2厘米处开一个能插搅拌器的小孔。搅拌器可用截面积4平方毫米的铜线芯橡胶绝缘线制作:取一段长约30厘米的这种导线,使绝缘线两端线芯缩进橡胶皮层05厘米左右,然后分别把线两端的橡皮包层粘合封闭,再把线的一端弯成一个直径4厘米的圆圈,使圆圈平面与上端垂直。用此搅拌器作实验时,线芯不和水接触,有效地减弱了热量通过搅拌器向外散失。

若以教材所给比热数据为真实值C铁=0462焦/克·℃,量热器和保温杯所测数据的相对误差分别为36%和09%。

测量结果表明,用保温杯测物质比热的实验效果比用量热器效果好。

要把该实验做得比较准确,除尽可能减少热量损失、准确测量温度和质量外,在实验过程中尚应注意下述问题:

(1)要使保温杯中的水浸没待测物体(在搅动过程中物体也不应露出)。

(2)要使沸水壶中的水保持沸腾,把铁块从沸水壶中取出放入保温杯中时动作要快,但不要损坏保温杯内胆。

(3)读数时视线要跟温度计液面保持相平。

(4)测量混合后的温度时,须在温度计液面升到最高点后刚要回降时记数。

(5)为了减少温度计向外散热,温度计插入水中部分不宜过长,但应让水银泡全部浸入。

混合法测物质比热实验的改进

现行初级中学物理教学中,测物质比热的实验,是采用混合法。把高温的铜块投入低温的水中,在不计热量散失的情况下,当热传递完成时,铜块的放热与水的吸热相同,即Q放=Q吸,只要按顺序测出铜块的质量(m铜),水的质量(m水)、水的初温t0水、铜块的初温(t0铜)及混合后的共同温度(t)。就可根据C铜=C水m水(t-t0水)m铜(t0铜-t)间接地测出铜的比热。但是这种方法测比热存在如下的问题:

(1)把铜块从沸(热)水中取出放入量热器的过程中必须要经过周围环境,既使放铜块的动作很迅速,也不可避免地要散失一部分热量于环境之中,这样会使测得铜块的比热偏小。

(2)把铜块从沸(热)水中取出时,不可避免地要附着一定质量且附收了一定热量的水,这部分水带入量热器后,可能导致测得铜的比热偏大。

(3)本实验是初中物理教学中,惟一的一个要求进行误差计算及产生误差原因分析的实验,但如上指出测得铜的比热中有偏大的部分,也有偏小的部分,这就给初次进行误差分析的初中学生进行误差分析带来困难。

鉴于上述客观因素对实验的不利影响,湖北另阝西县安家中学王心老师把低(室温)的铜块放入高温的水中,并按下列顺序进行实验:

(1)用天平称出铜块的质量,再用温度计测出放在环境中铜块的初温(测出室温就等于铜块的初温)。

(2)把量热器的小筒取出、用量筒量取一定体积的水(算出水的质量),倒入小筒里(注意水要适量),再把小筒放在水中进行水浴加热(如图14)。

(3)把装有热水的小筒从热水中取出并擦去筒外壁的水,放入量热器大筒内,用温度计测出小筒中水的初温。

(4)迅速把放在环境中的铜块移入小筒的热水中……测出热传递完成后的混合温度。最后利用C铜=C水m水(t0水-t)m铜(t-t0铜)计算铜的比热。

实验改进前后,我们按两种方法做了一次对比实验,(实验数据如下)。通过比较可以看出,实验改进前的误差比实验改进后的误差要大一些,也就是说实验改进后测得铜块的比热更接近于理论值,即课本中给出铜的比热值(0093卡/(克·℃)。显然,改进后由于量热器及测温过程的热量散失将使铜的比热的实测值偏大。

铜块质量(g)铜块的初温(℃)水的质量(g)水的初温(℃)混合温度(℃)铜的比热(卡/克·℃)改进前40100202253140065改进后4022520887750095比热实验的几种方法

(1)取质量相等的水和煤油,在同一个酒精灯上先后各热2分钟,受热是一样的。由温度升高的不同引入比热概念。

(2)取质量相等(约20克)、面积也相等(约3厘米×5厘米)的铝片和铅片(铅片可用粗保险丝锤打延展而成)各一片,平放在U形锈铁条上。用手端平铁条,沿图中箭头方向让两金属片依次往返在酒精灯或打火机的火焰上通过,大约每秒钟一个来回,共往返20次。

随后,立即让学生用一只手的两个手指分别触及两金属片(或用手心接触),感觉两片温度的升高明显不等(注意,铅片可能烫手)。显然,两金属片在加热过程中的吸热可认为是等同的。用此法引入比热概念,实验简便而迅速。

(3)华东版物理新课本中比热的实验是用电热器。由于是220伏,且多用于保温瓶上,今用来在烧杯中加热,大半露出液面,电热丝极易烧断。若改用两段相同的电炉丝分别对水和煤油加热,比较可靠,电源用低压即可。

(4)用一个凸透镜把太阳光聚焦到水里,在水杯里放一小块黑色物体吸热,加热约2分钟,测出温升,然后把此法移植于煤油。用这种方法时,水和煤油的质量应较小(约8~10克),在阳光充足、透镜较大(直径不小于8厘米)的情况下适用,冰透镜也能成功。