金属比热容测量和温度传感器测试热学实验的对比教学探讨

陈 鹏，王如梅，王 征，石 开，朱 祥，袁朝圣，王永强

(郑州轻工业大学 物理与电子工程学院，河南 郑州 450000)

冷却法测量金属比热容实验和温度传感器测试及半导体致冷控温实验是我校大学物理实验课程选定开设的基础物理实验项目，也是高校理工科专业开设的大学物理实验热学实验中非常重要的两个实验项目。比热容测量方法较多,如混合法、绝热法、脉冲加热法和冷却法等,各种测量方法均有其优势与弊端。金属比热容作为金属的一个重要物理量常根据牛顿冷却定律，用冷却法测定，是金属热容量测量最常用的方法[1,2]。金属比热容测量实验是我校较早开设的大学物理基础实验中一个重要的传统热学实验项目，而对温度传感器性能的了解及测试是大学物理实验近年来增加的一项必备内容。温度传感器测试及半导体致冷控温实验项目是我校近年来新引入基础课实验教学的热学项目，该实验项目主要训练学生理解并掌握温度传感器AD590的测温原理及准确标定传感器的温度电流(电压)关系的实际意义。

1 金属比热容的测量和温度传感器测试实验过程及测试数据

1.1 金属比热容的测量实验过程及数据测试

我校采用 FD-JSBR 金属比热容测量仪(复旦天欣仪器公司)测量铜、铁、铝三种金属在100 ℃温度值时的比热容值。

图1 金属比热容测量仪结构图

实验测试数据：样品质量MCu=4.830 g；MFe=4.280 g；MAl=1.500 g。热电偶冷端温度：t0=0 ℃。

样品由102 ℃下降到98 ℃所需时间(单位为s)，如表1所示：

表1 Cu、Fe、AL比热容的测试数据

以铜为标准：C1=CCu=0.0940cal/(g℃)

1.2 温度传感器测试及半导体致冷控温实验过程及数据测试

按图2 所示，将仪器温度设置为25 ℃进行温度整定。将控温传感器Pt100插入一个干井加热炉孔中，将温度传感器AD590放入另一干井加热炉孔中，同时将仪器提供的1kΩ标准电阻插入另一孔升温至25 ℃，并将自整定开关设置为开启正向控制状态，按下“加热”按钮，开始P.I.D自整定。温度恒定后测试1kΩ电阻上的电压是否为0.298 15V。P.I.D自适应调整保证控温系统达到25 ℃±0.1 ℃的控温精度。上面整定过程当环境温度低于25 ℃时用加热，环境温度高于25 ℃时用致冷[1,6]。

图2 AD590温度整定电路

图3 温度传感器实验测试电路

P.I.D自整定结束后，按图3接线，将温度设置从最低环境温度起设置温度(加热或制冷)，每隔5 ℃设置一次，每次待温度稳定2min后，测试一次输出电压，一直到85 ℃(或-15 ℃)止。加热、致冷两组实验分别做好温度整定后将被测传感器AD590互换做实验,这样两个传感器将分别得到加热和制冷数据，整理合并得到AD590温度传感器全温度范围(-15 ℃～+85 ℃)的测试数据[1,7]，如表2所示。

表2 AD590输出电压UR(mV)与温度t(℃)关系

利用最小二乘法公式并采用oringin软件处理数据进行直线拟合，得到拟合直线的斜率和相关系数:K=1.017 63uA/K，r=0.997 43，如下图4所示。

图4 origin线性拟合温度传感器AD590电压与温度

2 两个热学实验的教学过程对比讨论

在金属比热容实验教学中发现：实验室室温对实验误差影响较小，而测量降温范围较大对实验的测量有较大影响，当取小于5 ℃之内的降温范围对结果影响很小，实验主要误差来源于计时误差。同时多数学生对102 ℃等温度对应电压表4.37mV等电压值的热电偶的标定关系的由来不甚理解。在实验室提供了中国计量出版社1987版国家计量检定规程汇编中的铜-康铜热电偶分度表来查询热电偶温度和对应电压关系，如图5所示。但实验过程中仍有完成实验较好的学生对图5表中热电偶的标定方法提出疑问[1,3,8]。

在温度传感器测试及半导体致冷控温实验教学中发现：学生对做温度传感器AD590输出电压UR(mV)与温度t(℃)的线性关系的原因不理解，即AD590传感器在实际环境温度测量的应用特性实验—电压与温度对应关系的实验意义不清楚。

图5 铜-康铜热电偶分度表(参考端温度为0 ℃红色数字表示实验所选用的温度电压标定值)

将两个热学实验进行对比讨论分析应用到实际教学中：金属比热容测量实验中依据的铜-康铜热电偶的标定关系即温度-电压对应关系相当于是实验测试的一种前提，相当于测量数据可信的根源；而温度传感器测试及半导体致冷控温实验中，经过温度整定和测量标定后要找的实验结果就是AD590温度传感器(热电偶)的这种UR(mV)与温度t(℃)的精确的线性关系。金属比热容测量实验中的图5表格中的铜-康铜热电偶分度表就是应用类似这种办法精确标定后确定的热电偶温度和对应的电压之间的线性关系，相当于直接利用了类似温度传感器测试实验的结果来测量不同金属的比热容而已。

3 讨论与总结

在近几年的大学物理实验基础课教学中，越来越多的工科专业实行工程认证，这对工科专业的必修物理实验课程提出了更为具体的要求。为配合能源与动力控制、新材料与器件等我校工科专业工程认证专业基础课程的教学要求，将传统的物理实验教学按照力学、热学、振动及声学、电磁学、光学五大类划分实验室进行大胆改革，将实验室按照具体实验项目培养学生的对应专业能力及知识模块来重新细分归类划分实验室。上述的两个热学实验项目即是在引入温度传感器测试及半导体致冷控温实验项目后，于2016～2017学年下学期开始在同一学期同一实验室进行热学实验对比教学模式改革的大胆尝试。经过3个学期的教学实践，发现实验教学效果的改善作用愈加明显，学生普遍反映热学实验有趣，愿意深入探究更深的实验项目，这对能动、新材器等工科专业学生提高动手能力和分析解决实际应用问题的兴趣提升作用明显。

4 结 语

综上所述，在大学物理实验中将热学实验项目细分改革，诸如将金属比热容的测量和温度传感器测试实验放在一起进行对比式教学，内容相互联系佐证，可操作性、实用性更强，学生进行拓展实验的兴趣程度和积极性大幅提高，对学生深入理解AD590、PT100等温度传感器(热电偶)温度和电压(电流)的标定关系很有帮助，学生精确测量并处理物理实验数据的能力也得到加强。学生通过深入探究实验，实际应用能力得到实践检验，教学效果反映良好。