H—9 液氮的汽化熱的測量.doc

“大平臺”普通物理實(shí)驗(yàn)教案 物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心4-15 液氮的比汽化熱的測量 1 實(shí)驗(yàn)沿革：本實(shí)驗(yàn)中使用的儀器已有變動(dòng)：電子天平替換物理天平、數(shù)字溫度計(jì)替換水銀溫度計(jì)，因此操作上容易得多了。2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?正確使用電子天平和電子秒表，學(xué)會用動(dòng)態(tài)法稱衡； 掌握量熱器的使用方法，正確測量熱量； 通過數(shù)據(jù)處理校正由于與外界熱交換引起的誤差； 學(xué)習(xí)液氮使用及測量的基本知識。3 實(shí)驗(yàn)原理： 比汽化熱 l的定義： 在一個(gè)大氣壓下保持溫度不變時(shí)，單位質(zhì)量的液氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)馑栉盏臒崃考礊橐旱谋绕療醠 。 測量m：將室溫下的黃銅樣品浸沒入液氮中引起第一次熱交換，根據(jù)熱平衡原理得： (1) 式中為吸收黃銅樣品所放熱量而汽化掉的液氮的質(zhì)量。、為黃銅樣品的質(zhì)量和比熱容。為室溫，為液氮的溫度（196）。 測量q： 再將液氮中的黃銅樣品取出后立即投入到量熱器中引起第二次熱交換，根據(jù)熱平衡原理得： (2) 式中mw，ma，mc和cw，ca，cc為水、量熱器內(nèi)筒、攪拌器的質(zhì)量和比熱容，2，3為量熱器中水的初溫和末溫。由式(1)和式(2) 得： （3） 物質(zhì)比熱容與溫度的關(guān)系可查表（見實(shí)驗(yàn)室資料）。圖1 總質(zhì)量m隨時(shí)間變化關(guān)系m-t圖中ab段為液氮吸收空氣中的熱量而汽化使質(zhì)量m減少的過程，bc段為液氮繼續(xù)吸收空氣中的熱量，以及由于處于室溫的黃銅樣品浸沒入液氮中引起的劇烈汽化，而使m迅速減小的過程，cd段表示樣品不再放熱，而由于液氮吸收空氣中熱量使m減小的過程；過bc的中點(diǎn)作時(shí)間t軸的垂線fg則表示在bc段中僅考慮由于黃銅樣品釋放熱量而使液氮汽化的那部分質(zhì)量=mf-mg 。4. 預(yù)習(xí)要求及質(zhì)疑題（做實(shí)驗(yàn)前的提問等）： 檢查預(yù)習(xí)報(bào)告：實(shí)驗(yàn)原理中以上三個(gè)內(nèi)容都應(yīng)該有。 掌握電子天平、電子秒表、溫度計(jì)、量熱器的正確使用方法； 質(zhì)疑： 明白實(shí)驗(yàn)原理及公式（3）中各量的物理意義； 電子天平的調(diào)節(jié)步驟 (1.調(diào)節(jié)底腳螺絲使水平泡至中間，2.將天平罩子罩上，3.“去皮”使天平上顯示為0.00g。) 如何進(jìn)行動(dòng)態(tài)法稱衡（即測量m-t對應(yīng)值）？（1. 先在保溫杯內(nèi)裝半杯液氮然后與黃銅樣品一起放在天平盤上，天平罩子上方打開，隨著液氮的汽化，質(zhì)量減少，當(dāng)天平上讀數(shù)為m1時(shí)按下秒表，記下時(shí)刻t1，過一分鐘后，當(dāng)天平上讀數(shù)為m2=m1-0.5g時(shí)記下時(shí)刻t2,照此測好5個(gè)點(diǎn)，用來作圖ab段直線。2.接著記下黃銅樣品投入液氮的時(shí)刻tb，此時(shí)液氮大量汽化使瓶口急劇冒氣，約一分鐘后又冒一次，稍后即停止大量汽化，即樣品溫度與液氮溫度達(dá)到平衡，此時(shí)應(yīng)立即記下停止大量汽化的時(shí)刻tc。3接著像前面ab段一樣測量5個(gè)點(diǎn)，用來作圖cd段直線。） 測試前要掌握好電子秒表的正確使用（可由帶課老師教會）。 溫度計(jì)、量熱器應(yīng)如何正確使用？（1注意室溫一直在變，量熱器并非絕熱，故水溫應(yīng)準(zhǔn)時(shí)測量。2.正確使用攪拌器。黃銅樣品即將投入水之前測量2，投入后水溫下降至最低點(diǎn)為3。）（請參考思考題4的答案） 攪拌器應(yīng)如何操作？（1.攪拌器要不斷地輕輕攪拌，不能太快太猛，以免做功使水溫上升，同時(shí)也避免水濺出內(nèi)筒。2.攪拌棒頭上最好絕熱一下。） 攪拌器有什么作用？（1.使量熱器中水溫均勻。2.可以使水溫較快地達(dá)到平衡，減少環(huán)境影響。） 公式中的ht0。（由教師提示） 5. 實(shí)驗(yàn)步驟及每一點(diǎn)的注意事項(xiàng)： 稱衡前調(diào)節(jié)電子天平。注意：觀察天平底座上水平泡位置時(shí)應(yīng)垂直往下看；旋動(dòng)平衡螺絲帽時(shí)速度不要太快。 先稱mb、ma、mc、ma+w 。參考數(shù)據(jù) ： ma=2529g , mb=1013g , mc=6.5g左右，如偏離遠(yuǎn)應(yīng)重測。量熱器內(nèi)筒中裝半杯水約60克。 動(dòng)態(tài)法稱衡mt值。注意： m值包括保溫杯、液氮、黃銅樣品。 正確使用秒表：在整個(gè)測試過程中秒表千萬不能停止走動(dòng)，只能在需記下某一時(shí)刻時(shí)，使表面處于暫停狀態(tài)。為什么秒表不能停止走動(dòng)（因?yàn)橐旱恢痹谄?，m在變；mt對應(yīng)關(guān)系。） m值最好取.00 g或.50 g (便于作圖),m取0.5g 。 tb、tc兩點(diǎn)時(shí)刻應(yīng)測準(zhǔn)，不能錯(cuò)過，否則全部重做。 本測量過程如果失敗的話，應(yīng)全部重測，重測前將黃銅樣品從液氮中取出用自來水沖洗，讓其恢復(fù)到室溫擦干后即可。 溫度測量。注意： 1、2、3用同一支溫度計(jì)測量。 1應(yīng)在黃銅樣品投入液氮時(shí)刻tb之前測量； 2、3測溫時(shí)攪拌器必須不停地輕輕攪拌，同時(shí)眼睛必須注視著讀數(shù)，3應(yīng)等水溫回升后記下最低值。（參考數(shù)據(jù)：233，mw（23）180 g .） 。6. 實(shí)驗(yàn)操作的評分標(biāo)準(zhǔn)： 預(yù)習(xí)報(bào)告 10分 質(zhì)疑 10分 天平操作和測量多個(gè)m值 10分 m-t 動(dòng)態(tài)稱衡 20分 正確使用量熱器，測準(zhǔn)1、2、3 10分7. 實(shí)驗(yàn)儀器等： 電子天平：型號：pb602-n，規(guī)格：最大稱量610g，分度值0.01g 數(shù)字式溫度計(jì)：型號：nty-2a，規(guī)格：-25125，分度值0.1 量熱器、電子秒表8. 實(shí)驗(yàn)儀器的說明書： 無。9. 典型測量數(shù)據(jù)及計(jì)算（作圖）：mb(g)ma(g)ma+w(g)mw(g)mc(g)1()2()3()12.5327.8791.5163.646.5116.015.112.3v1(ml)v2(ml)v(ml)4.25.21.0t(,”)049”149”246”344”t(s)049109166224m(g)227.00226.50226.00225.50225.00t(,”)527”631”737”838”940”t(s)327391457518580m(g)220.00219.50219.00218.50218.00tb=44”=244”，tc=457”=297” m-t圖另附，注意圖中t軸單位為秒，其余都按作圖規(guī)則即可； 圖中b、c兩點(diǎn)位置是根據(jù)tb、tc值各在ab、dc延長線上確定。 為15時(shí)，黃銅的比熱cb=cc=372j/kg，鋁的比熱ca=899j/kg。(63.6410-34.18103+27.8710-3899+6.5110-3372+0) (15.1-12.3)+12.5310-3372(16.0-12.3)=199.8103=200103j/kg。已知一個(gè)大氣壓下液氮比汽化熱的標(biāo)準(zhǔn)值為199103j/kg。10. 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求及評分標(biāo)準(zhǔn)： 原理、儀器（10分） 原理要求簡述三部分內(nèi)容：l的定義；第一次熱交換（求mn），畫出m-t圖并示意；第二次熱交換（求q），寫出最后求出l的公式，并寫明各物理量的意義。儀器要求寫名稱、型號、規(guī)格、編號。 數(shù)據(jù)記錄及計(jì)算（20分） 記錄要列表，表格應(yīng)畫框線。 計(jì)算要求寫出過程（先寫l的公式，再寫數(shù)據(jù)代入式，最后寫結(jié)果）；作圖（用坐標(biāo)紙2025cm2 ）。 討論 （10分） 11. 思考題的答案：書中p.138 答：保溫杯瓶口結(jié)冰，使液氮汽化受影響，增加誤差。 答：主要由于bc段大量汽化后，瓶口結(jié)霜溫度降低，而液氮溫度不變，所以溫度梯度變小，使cd段的汽化速度變慢。 答：銅樣品剛投入時(shí)溫度很高，引起液氮大量汽化，產(chǎn)生了大量的低溫氮?dú)馐箍諝庵械乃羝淠?，所以瓶口大量冒煙；隨著銅樣品溫度的下降，液氮汽化的程度減弱，瓶口少量冒煙；最后聚集在銅樣品周圍的氣泡一下子被液氮擠出，引起液氮大量汽化，所以瓶口又大量冒煙，隨即銅樣品的溫度與液氮溫度一致，瓶口停止冒煙。 答：1、2、3用同一支溫度計(jì)測量。（因?yàn)闇囟扔?jì)的零點(diǎn)不一樣）因?yàn)榄h(huán)境溫度一直在變，所以要準(zhǔn)時(shí)測量：1應(yīng)在黃銅樣品投入液氮時(shí)刻tb之前測量室溫；2應(yīng)在黃銅樣品投入量熱器之前測量水溫，測溫時(shí)攪拌器必須不停地輕輕攪拌，同時(shí)眼睛必須注視著讀數(shù)，3應(yīng)等水溫回升后記下最低值。（主要由于量熱器內(nèi)水溫低于室溫，又由于量熱器不絕熱，跟環(huán)境有交換。）內(nèi)筒中水約半杯不能過多或過少（水過多易濺出筒外，同時(shí)使（23）值偏小，使溫度的相對不確定度增大。水過少混合不均勻，3值測不準(zhǔn)。測量時(shí)溫度計(jì)端頭不能靠近儀器底部或人體，不能接觸到銅樣品。 答：用公式lmnmb (1-n) 即可,實(shí)驗(yàn)測出mn（方法同本實(shí)驗(yàn)）、mb（金屬質(zhì)量）、1（室溫）、n（液氮沸點(diǎn)） 。12. 學(xué)生易出現(xiàn)的錯(cuò)誤及解決方法： 測量時(shí)天平數(shù)據(jù)跳動(dòng)無法記錄（由于電子天平很靈敏，所以實(shí)驗(yàn)桌子不能震動(dòng)；或?qū)⑻炱秸肿诱稚戏乐癸L(fēng)的影響。） 測m-t數(shù)據(jù)時(shí)，m值最好取.00 g或.50 g (便于作圖),m取0.5g ，應(yīng)該有規(guī)律的測量數(shù)據(jù)。（一方面養(yǎng)成良好習(xí)慣，另一方面便于檢查實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）否則要求重做（還需視具體情況而定）參考數(shù)據(jù) ：ab段的線性關(guān)系較好（t約為1分多鐘），bc兩點(diǎn)時(shí)間約為1分多鐘質(zhì)量差約5克（如果相差3克，可能是保溫杯中液氮太少了，銅樣品沒有完全浸沒，cd段的線性關(guān)系不好（t大約從2分多逐漸到1分多鐘） 測m-t數(shù)據(jù)時(shí)，秒表按錯(cuò)停掉。（要求重做） 水溫沒測好（要求重做，注意要攪拌，溫度計(jì)端頭不能接觸到銅樣品，數(shù)據(jù)要求按前面5.點(diǎn)所寫） 實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的主要問題：原理和步驟寫得不合格：太簡單或抄書太多。儀器不按要求寫。紀(jì)錄表格不畫框線或不用直尺畫，數(shù)據(jù)的有效數(shù)字少了或沒有單位。作圖問題比較多。（主要有：數(shù)據(jù)點(diǎn)符號、比例錯(cuò)誤、bc兩點(diǎn)位置錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)點(diǎn)位置不準(zhǔn)、作圖紙?zhí)〉?）計(jì)算過程不寫，計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤。結(jié)論不寫。（要求訂正）13. 儀器易出現(xiàn)的問題及解決方法： 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，量熱器中的水倒掉，并將容器倒置晾干，否則內(nèi)筒易腐蝕壞。 實(shí)驗(yàn)前將液氮倒入保溫杯（半杯），如果發(fā)現(xiàn)杯子外面結(jié)露水或者液氮汽化速度變快了（0.5克液氮汽化只需30秒鐘左右），那么說明保溫杯壞了。14. 備用考試題及答案 筆試題1.在mt曲線中，e點(diǎn)是bc的_，fg的長度對應(yīng)于_。2.從mt曲線中可以得到液氮的汽化質(zhì)量mn，則汽化掉質(zhì)量為mn的液氮