温度传感器在固体比热容实验中的运用

张文杰

（玉林师范学院 物理科学与工程技术学院，广西 玉林537000）

1 传统固体比热容实验的弊端

传统的固体比热容实验使用普通水银温度计对温度进行监控［1－3］，实验中存在如下问题：

1）实验操作难度大．读出停表上时间的同时，观察温度计并记录温度值，不断地用搅拌器搅拌．学生不易做成功．

2）达到平衡温度的时间短，温度计的水银柱上升比较快，且其精确度和读数的误差会对实验结果造成很大影响．

3）实验过程中记录实验数据多，不利于观察混合过程中温度变化的规律．

4）实验数据处理繁琐．

5）实验结果的精度通常较低，很难培养学生的学习兴趣与严谨的科学态度．

近年来许多学者对此实验进行了改进［4－6］，尽管实验结果精度有所提高，但是仍有很多不足．针对以上弊端，将现代传感器技术和计算机引入此实验，进行了如下改进．

2 固体比热容实验的改进

2．1 实验器材

实验所需材料：铝块，水，圆底烧瓶1个，烧杯2个，小量筒1个，铁架台1个，加热器1个，细线，温度计1个，温度传感器1个，数据采集器1个（相应的数据处理软件），计算机．

2．2 实验装置及操作

实验装置如图1所示．

图1 实验装置图

用物理天平测量待测金属块（铝块）的质量以及量热器内筒和搅拌器的质量；将烧杯中放入适量的水，把待测金属块用细线拴好，放入烧杯中，然后将烧杯放到加热器上加热至水沸腾一段时间，测出大气压强p．具体实验步骤如下：

1）在量热器上安装温度传感器，用数据线先将温度传感器和数据采集器连接起来，再将数据采集器和计算机相连接．

2）打开软件，设置数据采集器，每3 ms采集1个温度点．

3）点击主菜单中“坐标绘图”及“图线分析与处理”，在“坐标设置”中点击“增加”图线坐标，设置横坐标x轴为时间（单位为s），纵坐标y轴为温度（单位为℃）．

4）将量热器内筒中放入适量的水，并放入少许冰块让量热器中的温度低于室温，搅拌让冰块完全融化，并将温度控制在室温下1～3℃，点击“采集运行”．

5）将被测金属块迅速地取出，放入量热器中进行搅拌．在“坐标绘图”中实时记录整个实验过程的温度变化如图2所示．

图2 混合温度变化曲线

2．3 数据处理

对“坐标绘图”中实时记录的温度变化曲线进行处理，如图3所示，“锁定”吸热线进行直线拟合，结果为y＝0．000 786x＋22．285 655；“锁定”放热线进行拟合，结果为y＝－0．000 506x＋27．292 193．点击“鼠标坐标显示”，可知高温金属块和水混合时温度达到室温的时间，如图3中A点（x＝653．100 7，y＝25．000 0）所示．将A 点的横坐标代入吸热线和放热线的拟合直线方程，这样很容易就可以确定混合时水的初始温度t1（22．80℃）和混合温度t2（26．96℃）．

图3 系统散热修正曲线

2．4 实验结果及分析

在25℃的室温下，用物理天平（TW－1B，精度为0．1 g）对金属块（铝块）的质量m、量热器内筒和搅拌器总质量m1及水的质量m0进行测量；用量筒（10 m L，精度为0．2 m L）测量传感器浸入水中的体积V；用温度计（105℃，精度为0．1℃）测量高温金属块（铝块）的温度t；温度传感器插入水中部分的热容为2．44V［2］（水的比热容为4．173 J·cm－3·℃－1，铝的密度为2．70 g·cm－3，比热容为0．904 J·cm－3·℃－1，其1 cm3的热容为2．44 J·cm－3·℃－1），测量结果见表1．

表1 金属比热容测定数据表

由

得出金属块的比热［2］．

根据表1数据和“坐标绘图”中图线处理的结果，由式（1）可得到被测金属块的比热容为8．95×102J·kg－1·℃－1．在室温25℃下，铝块的标准比热容为［2］9．04×102J·kg－1·℃－1，其相对误差约为1．00%（不考虑金属块在从加热炉中取出到投放进量热器内筒的过程中，在空气中热量散失的情况下），在误差范围内实验结果和标准值符合得很好．

3 结束语

将现代传感器技术、计算机和传统的实验仪器相结合，采用混合法测量固体的比热容，简化了实验操作过程，降低了实验技术难度，提高了精度．实验中采用了新型高精度、高灵敏度传感器作为测量工具，能反映高、低温物体混合过程中温度的微小变化，能对热力学状态的变化过程进行跟踪，学生通过观察与测量，加深对热力学过程的理解．

［1］ 李正平，王广泰，李冬梅．新编大学物理实验［M］．北京：中国石化出版社，1998：143－146．

［2］ 杨述武．普通物理实验［M］．北京：高等教育出版社，2000：223－228．

［3］ 吴泳华，霍剑青，熊永红．大学物理实验［M］．北京：高等教育出版社，2001：159－160．

［4］ 张道清，肖世发．固体比热容测定温度修正的改进［J］．重庆文理学院学报（自然科学版），2008（4）：46－48．

［5］ 韩修林，孙梅娟，丁智勇．固体比热容测定实验的研究［J］．大学物理实验，2010，23（6）：12－15．

［6］ 刘长虹，姚久民，王玉颖．混合法测量固体比热容实验的改进［J］．唐山师范学院学报，2007（5）：23－25．

［7］ 常相辉，冯先富，张永文，等．不同温度下空气比热容比测量装置的研究［J］．物理实验，2011，31（4）：21－23．