大學(xué)物理空氣比熱容的測量實驗報告

1、大物實驗報告撰寫模板2空氣比熱容比的測定 在熱學(xué)中比熱容比是一個基本物理量。過去，由于實驗測量手段的原因使得對它的測量誤差較大?，F(xiàn)在通過先進的傳感器技術(shù)使得測量便得簡單而準確。本實驗通過壓力傳感器和溫度傳感器來測量空氣的比熱容比。一、實驗?zāi)康?. 用絕熱膨脹法測定空氣的比熱容。2. 觀察熱力學(xué)過程中狀態(tài)變化及基本物理規(guī)律。3. 學(xué)習(xí)氣體壓力傳感器和電流型集成溫度傳感器的原理及使用方法。二、實驗原理理想氣體定壓摩爾熱容量和定體摩爾熱容量之間的關(guān)系由下式表示 （4-6-1）其中, 為普適氣體常數(shù)。氣體的比熱容比定義為 （4-6-2）氣體的比熱容比也稱氣體的絕熱系數(shù)，它是一個重要的物理量，其值經(jīng)常出

2、現(xiàn)在熱力學(xué)方程中。測量儀器如圖4-6-1所示。1為進氣活塞C1，2 為放氣活塞C2，3為電流型集成溫度傳感器,4為氣體壓力傳感器探頭。實驗時先關(guān)閉活塞C2，將原處于環(huán)境大氣壓強為P0、室溫為T0的空氣經(jīng)活塞C1送入貯氣瓶B內(nèi)，這時瓶內(nèi)空氣壓強增大，溫度升高。關(guān)閉活塞C1，待瓶內(nèi)空氣穩(wěn)定后，瓶內(nèi)空氣達到狀態(tài)（），V1為貯氣瓶容積。然后突然打開閥門C2，使瓶內(nèi)空氣與周圍大氣相通，到達狀態(tài)（后，迅速關(guān)閉活塞C2。由于放氣過程很短，可認為氣體經(jīng)歷了一個絕熱膨脹過程，瓶內(nèi)氣體壓強減小，溫度降低。絕熱膨脹過程應(yīng)滿足下述方程 （4-6-3）在關(guān)閉活塞C2之后，貯氣瓶內(nèi)氣體溫度將升高，當(dāng)升到溫度T0時，原氣體

3、的狀態(tài)為（）改變?yōu)闋顟B(tài)（），兩個狀態(tài)應(yīng)滿足如下關(guān)系： （4-6-4）由（4-6-3）式和（4-6-4）式，可得 （4-6-5）利用（4-6-5）式可以通過測量P0、P1和P2值，求得空氣的比熱容比值。 圖4-6-1 測量儀器示意圖 圖4-6-2 系統(tǒng)連接圖三、實驗儀器NCD-I型空氣比熱容比測量儀由如下幾個部分組成：貯氣瓶（由玻璃瓶、進氣活塞、橡皮塞組成）、兩只傳感器（擴散硅壓力傳感器和電流型集成溫度傳感器AD590各一只）、測空氣壓強的三位半數(shù)字電壓表、測空氣溫度的四位半數(shù)字電壓表。測空氣壓強的數(shù)字電壓表用于測量超過環(huán)境氣壓的那部分壓強，測量范圍010000Pa，靈敏度為20mv/Kpa（表

4、示1000Pa的壓強變化將產(chǎn)生20mv的電壓變化，或者50Pa/mv，單位電壓變化對應(yīng)50Pa的壓強變化）。實驗時，貯氣瓶內(nèi)空氣壓強變化范圍為6000Pa。圖4-6-1實驗裝置中，溫度傳感器3是新型半導(dǎo)體溫度傳感器，其測量靈敏度高，線性好，測溫范圍為-50150，接6V直流電源后組成一個穩(wěn)流源。它的測溫靈敏度單位為1A/，若串接5K電阻后，可產(chǎn)生5mv/的信號電壓，接02V量程四位半數(shù)字電壓表，可檢測到最小0.02溫度變化。氣體壓力傳感器探頭4由同軸電纜線輸出信號，與儀器內(nèi)的放大器及三位半數(shù)字電壓表相接。當(dāng)待測氣體壓強為環(huán)境大氣壓P0時，數(shù)字電壓表顯示為0，當(dāng)待測氣體壓強為P0+10000Pa

5、時，數(shù)字電壓表顯示為200mv，儀器測量氣體壓強靈敏度為20mv/ 1000Pa。四、實驗步驟1. 按圖4-6-2接好儀器的電路，注意AD590的正負極不要接錯。用Forton式氣壓計測定大氣壓強P0，用水銀溫度計測量環(huán)境溫度。開啟電源，將電子儀器部分預(yù)熱20分鐘，然后用調(diào)零電位器調(diào)節(jié)零點，把三位半數(shù)字電壓表示值調(diào)到0。2. 將活塞C2關(guān)閉，活塞C1打開，用打氣球把空氣穩(wěn)定地徐徐進入貯氣瓶B內(nèi)，用壓力傳感器和AD590溫度傳感器測量空氣的壓強和溫度，記錄瓶內(nèi)壓強均勻穩(wěn)定時壓強P1和溫度T0（室溫為T0）（P1取值范圍控制在130mV150mV之間。由于儀器只顯示大于大氣壓強的部分，實際計算時式

6、（4-6-5）中的壓強P1應(yīng)加上周圍大氣壓強值）。3. 突然打開活塞C2，當(dāng)貯氣瓶的空氣壓強降低至環(huán)境大氣壓強P0時（這時放氣聲消失），迅速關(guān)閉活塞C24. 當(dāng)貯氣瓶內(nèi)空氣的溫度上升至室溫T0時，記下貯氣瓶內(nèi)氣體的壓強P2（由于儀器只顯示大于大氣壓強的部分，實際計算時式（4-6-5）中的壓強P2應(yīng)加上周圍大氣壓強值）。5. 用公式（4-6-5）進行計算，求得空氣比熱容比值。五、注意事項1. 在實驗步驟3打開活塞C2放氣時，當(dāng)聽到放氣聲結(jié)束應(yīng)迅速關(guān)閉活塞，提早或推遲關(guān)閉活塞C2，都將影響實驗結(jié)果，引入誤差。2. 實驗要求環(huán)境溫度基本不變，如發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度不斷下降，可在遠離實驗儀器處適當(dāng)加溫，以保證

7、實驗正常進行。六、數(shù)據(jù)記錄與處理 1.參考表4-6-1記錄實驗數(shù)據(jù)。 2.計算空氣比熱容比的平均值和標(biāo)準偏差，給出測量結(jié)果。表4-6-1 數(shù)據(jù)紀錄參考用表周圍大氣壓強P0/105Pa狀態(tài)壓強顯示值 P1/mv狀態(tài)溫度T0/mv狀態(tài)壓強顯示值P2/mv狀態(tài)溫度T0/mv狀態(tài)氣體實際壓強P0+P1/（105Pa）狀態(tài)氣體實際壓強P0+P2/（105Pa） 平均值七、思考題1.打開活塞C2放氣時, 提早或推遲關(guān)閉如何影響測量結(jié)果?2.環(huán)境溫度的逐漸升高或下降會對實驗結(jié)果產(chǎn)生什么影響?實驗47 萬用表和惠斯登電橋的使用萬用表即萬用電表，它是電學(xué)最常用的一種測量儀器，它不僅可以測量交流和直流電壓，還可以

8、測量直流電流和電阻，一表多能，掌握萬用表的使用方法是電學(xué)實驗的基本要求之一。電橋也是一種常用的電學(xué)測量儀器，其原理是比較法，因而具有靈敏度高和使用方便的特點。利用電橋不僅可以測量電阻、電容和電感等電學(xué)量，還可以將溫度、壓力等非電量以電量的形式測量出來，因此應(yīng)用十分廣泛。在各種電橋中，惠斯登電橋是一種最基本的電橋，本實驗以惠斯登電橋為基礎(chǔ)，采用交換法和代替法精密測量電阻，同時學(xué)習(xí)萬用表的使用方法。一、實驗?zāi)康?. 掌握萬用表的正確使用方法。2. 掌握惠斯登電橋的原理和測量方法。3. 了解代替法和交換法的測量原理。二、實驗儀器標(biāo)準電阻箱兩個、滑線變阻器兩個、電流表、靈敏度達到10-9A的數(shù)字式檢流

9、計、數(shù)字式萬用表、直流穩(wěn)壓電源。三、實驗原理萬用表的原理和使用方法見第二章的相關(guān)章節(jié)惠斯登電橋的原理如圖4-7-1所示，它是由四個電阻R1、R2、R0和Rx連接而成的四邊形，每一邊稱為電橋的一個橋臂，四邊形的兩個AB、CD對角分別與電源E和電流表G相連。所謂橋的意思是指電流表G跨接CD，其作用是將橋的兩個端點C和D的電位進行比較。當(dāng)C、D的電位相等時稱為電橋平衡，此時，電流表G中無電流通過。 圖4-7-1 惠斯登電橋示意圖 圖4-7-2 實際電橋測量回路示意圖 本實驗的兩臂R1、R2由滑線變阻器H1以滑動頭為分界點的兩邊電阻構(gòu)成，Rx 、R0分別代表未知電阻和標(biāo)準電阻箱的標(biāo)稱阻值。為了限制電路

10、的電流，電源要通過另一個滑線變阻器H2再與電橋相連。當(dāng)電阻箱的阻值R0為一定時，通過滑動H1的滑動頭使電橋平衡，這時電路滿足如下關(guān)系 （4-7-1）根據(jù)歐姆定律可得 (4-7-2)將（4-7-2）式各式代入（4-7-1）式得： (4-7-3)比較上面兩式并考慮電橋平衡時，得 (4-7-4)由式(4-7-4)可知，如果知道R1、R2和R0的阻值，未知電阻Rx便可計算出來。由于R1、R2阻值的精確性影響未知電阻阻值的精確性，本實驗不是直接將R1、R2、R0的阻值代入式(4-7-4)計算未知電阻Rx，而是采用代替法和交換法獲得未知電阻的阻值，這樣可以不考慮R1、R2阻值的精確性對未知電阻阻值的影響，

11、也可以避免測量電路的系統(tǒng)誤差對未知電阻阻值的影響。1.代替法 在上述電橋平衡的基礎(chǔ)上，如果移去未知電阻Rx，而用另一個阻值可調(diào)的電阻箱Rd代替未知電阻，改變電阻箱Rd的阻值而其他部分保持不變，當(dāng)電橋重新恢復(fù)到平衡狀態(tài)時，電路滿足如下關(guān)系 (4-7-5 )由于R1、R2、Rx 不變，所以Rd = Rx，即電阻箱Rd 此時的讀數(shù)等于未知電阻的阻值，這種方法即為代替法2.交換法 在電橋平衡的基礎(chǔ)上，如果交換未知電阻Rx和已知電阻R0，這時電路將不平衡。保持其他部分不變而僅僅改變R0的阻值，使電路重新恢復(fù)平衡狀態(tài)。如果這時電阻箱的阻值變?yōu)镽02則電路滿足如下關(guān)系 (4-7-6 )由于R1、R2、Rx不

12、變，比較（4-7-4）和（4-7-6）式，得 （4-7-7）其中為第一次電路平衡時的電阻箱的阻值，為第二次電路平衡時的電阻箱的阻值，這種方法即為交換法。四、實驗步驟與數(shù)據(jù)記錄1.數(shù)字式萬用表的使用（1）將萬用表檔位撥到歐姆檔。根據(jù)電阻的標(biāo)稱值，確定適當(dāng)?shù)臋n位（電阻值的數(shù)量級），測量電阻Rx的阻值。（2）將測量結(jié)果記錄在表4-7-1。 2.惠斯登電橋的使用（1）分別設(shè)定已知電阻箱的阻值為100、150、200、250、300，按代替法的原理測量未知電阻的5個值，將測量結(jié)果記錄在表4-6-1中，求出未知電阻的平均值和標(biāo)準差。注意有效數(shù)字的運算規(guī)則。（2）分別設(shè)定已知電阻箱的阻值為100、150、2

13、00、250、300，按交換法的原理計算未知電阻的5個值，將測量結(jié)果記錄在表4-7-2中。求出未知電阻的平均值和標(biāo)準差，注意有效數(shù)字的運算規(guī)則。表4-7-1 代替法測量數(shù)據(jù)次數(shù)已知電阻R0/未知電阻R X/萬用表測量R X/11002150320042505300 ；表4-7-2 交換法測量數(shù)據(jù)次數(shù)已知電阻R0/未知電阻R X/萬用表測量R X/11002150320042505300；五、思考題1.電橋法測量電阻的原理是什么?2.調(diào)節(jié)電橋平衡時,假如發(fā)現(xiàn)電橋根本找不到平衡,可能原因是什么?3.影響電橋靈敏度有那些因素,什么措施可以提高電橋靈敏度? 空氣比熱容比的測量一、 實驗?zāi)康模?#160

14、;    測量室溫下的空氣比熱容比；學(xué)習(xí)用絕熱膨脹法測定空氣的比熱容比；觀測熱力學(xué)過程中狀態(tài)變化及基本物理規(guī)律。三、實驗器材：儲氣瓶一套（包括玻璃瓶、活塞兩只、橡皮塞、打氣球）、兩只傳感器（擴散硅壓力傳感器和電流型集成溫度傳感器AD590各一只）、測空氣壓強的三位半數(shù)字電壓表、測空氣溫度的四位半數(shù)字電壓表、連接電纜及電阻。四、實驗原理：遵循兩條基本原則：其一是保持系統(tǒng)為孤立系統(tǒng)；其二是測量一個系統(tǒng)的狀態(tài)參量時，應(yīng)保證系統(tǒng)處于平衡態(tài)。氣體的定壓比熱容和定容比熱容之比稱為氣體的比熱容比，用符號表示（即），又稱氣體的絕熱系數(shù)。如圖所示，實驗開始時，首先打開活塞C2，儲氣

15、瓶與大氣相通，當(dāng)瓶內(nèi)充滿與周圍空氣同壓強同溫度的氣體后，再關(guān)閉活塞C2。打開充氣活塞C1，將原處于環(huán)境大氣壓強為、室溫為的空氣，用打氣球從活塞C1處向瓶內(nèi)打氣，充入一定量的氣體，然后關(guān)閉充氣活塞C1。此時瓶內(nèi)空氣被壓縮而壓強增大，溫度升高，等待瓶內(nèi)氣體溫度穩(wěn)定，即達到與周圍溫度平衡。此時的氣體處于狀態(tài)I(,)，其中為儲氣瓶容積。然后迅速打開放氣閥門C2，使瓶內(nèi)空氣與周圍大氣相通，瓶內(nèi)氣體做絕熱膨脹，將有一部分體積為的氣體噴瀉出儲氣瓶。當(dāng)聽不見氣體沖出的聲音，即瓶內(nèi)壓強為大氣壓強，瓶內(nèi)溫度下降到（<）,此時，立即關(guān)閉放氣閥門C2,。由于放氣過程較快，瓶內(nèi)保留的氣體由狀態(tài)I(,)轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)(

16、,)。由于瓶內(nèi)氣體溫度低于室溫，所以瓶內(nèi)氣體慢慢從外界吸熱，直至達到室溫為止，此時瓶內(nèi)氣體壓強也隨之增大為。穩(wěn)定后的氣體狀態(tài)為(,)，從狀態(tài)到狀態(tài)的過程可以看作是一個等容吸熱的過程?？傊瑲怏w從狀態(tài)I到狀態(tài)是絕熱過程，由泊松公式得：                       (1)從狀態(tài)到狀態(tài)是等容過程，對同一系統(tǒng)，由蓋呂薩克定律得     &#

17、160;                 （2）由以上兩式子可以得到                        （3）兩邊取對數(shù)，化簡得       

18、60; （4）利用 （4）式，通過測量、和的值就可求得空氣的比熱容比的值。五、實驗步驟：1、按圖接好儀器的電路，注意AD590的正負極不要接錯。用Forton式氣壓計測定大氣壓強，用水銀溫度計測量環(huán)境溫度。2、開啟電源，將電子儀器部分預(yù)熱20min，然后用調(diào)零電位器調(diào)節(jié)零點，把三位半數(shù)字電壓表示值調(diào)到0。3、將活塞C2關(guān)閉，活塞C1打開，用打氣球把空氣穩(wěn)定地徐徐地打入儲氣瓶B內(nèi),用壓力傳感器和AD590溫度傳感器測量空氣的壓強和溫度，記錄瓶內(nèi)壓強均勻穩(wěn)定時壓強和溫度（室溫為）（取值范圍控制在130150mV之間。由于儀器只顯示大于大氣壓強的部分，實際計算時式（4）中的壓強=+）。 4、突然打開活塞C2，當(dāng)儲氣瓶的空氣壓強降低至環(huán)境大氣壓強時（即放氣聲消失），迅速關(guān)閉活塞C2。5、當(dāng)儲氣瓶內(nèi)空氣的氣壓穩(wěn)定，溫度上升至室溫