电热法测热功当量实验的改进
电热法测热功当量实验的改进
代 伟,李 骏，陈太红，兰小刚
（西华师范大学物理与电子信息学院 四川、南充 637002）
摘 要 : 现有的电热法热工当量实验仪用电阻丝加热，玻璃温度计测温，人工计时，实验装置简易，实验方法不好，所以导致实验操作困难，测量误差大。本文根据电热法测量热功当量实验原理，对现有电热法测热功当量实验装置和实验方法提出了改进，该实验设计方法科学、正确，实验误差小，可操作性强，经实验验证完全可行，有推广价值。 关键词 ：电热法；热功当量；测定方法；改进
中图分类号：O414·19 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
用电热法测定热功当量是普通物理学的一个热学实验，是使学生认识热的本质的重要实验之一。目前，一些理工科院校所用的物理实验讲义中普遍介绍的是用如图1所示的实验装置测量热功当量[1-2]。它测量的原理是当强度为I 安培的电流在t 秒内通过电热丝，电热丝两端的电位差为U 伏特，则电场力做功为：
A ＝IUt
这些功全部转化为热量，此热量可以用量热器来测量。设m 1表示量热器内圆筒和搅拌器以及装有缠绕线的胶木支架（一般质料相同，否则应分别考虑）的质量，C 1表示其比热。m 2表示缠绕线的胶木（或玻璃）的质量，C 2表示其比热。m 3表示量热器内圆筒中水的质量，C 3表示水的比热，V 表示温度计沉入水中的体积，T 0和T f 表示量热器内圆筒及圆筒中水的初始温度和终止温度，那么量热器内圆筒及圆筒中的水等由导体发热所得的热量Q 为：
Q ＝（m 1C 1＋m 2C 2＋m 3C 3＋0.46V ）（T f －T 0） 所以，热功当量
)
)(46.0(0332211T T V C m C m C m IUt Q A J f -+++==焦耳/卡 [3]
J 的标准值J 0＝4.1868焦耳/卡。用这种装置进行实验造成的误差大，而且实验内容复杂。本文就此装置存在的问题进行了分析，并提出了一套新的改进装置以克服其存在的问题。 2 原有实验装置存在的问题
2.1 由于原装置要进行直接测量的量多，用到的仪器也多，有电流表、电压表、温度计、停表、量热器、天平，这些仪器的误差必定会带来较大的系统误差。
2.2 电流做功由电阻丝F 通电发热来实现，使用中发现电阻丝与两个铜金属棒J 的连接处由于接触电阻大，发热多，加上金属棒与电阻丝在高温水浴中容易氧化，所以金属棒与电阻丝经常接触不良，接触电阻大，实验中电阻丝容易被烧断，由于金属棒生锈导致更换电阻丝很困难。 2.3 在加温水的过程中，系统传热不均匀.加热
快或搅拌慢了，量热器内的水上热下凉，温度计测得的是高温层的水温，引起计算结果偏小，加热慢了或搅拌过快，搅拌器对水作的功和量热器散热引起计算结果偏大，同时容易引起电极短路。
收稿日期：2010-9-23.
作者简介：代 伟(1964-),男,四川遂宁人,西华师范大学物理与电子信息学院副教授,主要从事大学物理实验的教学与研究工作
2.4 仪器测温使用的是玻璃温度计，由于玻璃温度计刻度密，最小分度是1℃，所以读数困难并且误差较大，从而导致热功当量测量误差更大。
2.5 热容量计算涉及的物品多包括铝质内筒、镀锌铁丝搅拌器、铜杆接线柱、合金电阻丝、铜螺母、玻璃温度计、温度计测温饱内的水银，要分别测量其热容量很难，实际上大多成了一些估计值。
2.6 原装置要同时观察的量有5个:电压、电流、温度、时间、质量。还要操作搅拌器，记录数据。在实验过程中，学生看了停表就不能观察到准确的温度变化；读了温度变化量就来不及记下室温、电流、电压等值，有时手忙脚乱，不可能使学生独立完成实验。
2.7 做实验总免不了偶然误差，而消除偶然误差的方法就是进行多次测量。但原装置实验周期长，一次实验课做一次测量还得抓紧，更不用说进行多次了。
因此，在用原装置测热功当量的实验过程中，实验做得很成功的学生很少。笔者在指导学生用原装置测热功当量时，相对误差在5%以内的没有几个。
针对存在的问题我们对原装置进行了改进，将电子天平，高密度的单端加热管，杜瓦瓶，电子计时器等新的实验器材用于实验中，用改进后的装置来测量热功当量实验设计方法科学、正确，实验误差小，可操作性强，经实验验证完全可行，得到了比较满意的实验效果。
3 改进后的实验装置
针对原有装置的不足，改进后的实验装置如图2所示[4]。将一个小杜瓦瓶用橡胶塞塞住瓶口，胶塞上插
3。在胶塞上，另将一高密度的单端加热管插入杜瓦瓶中，高密一弯成900的小玻璃管，玻璃管内径为mm
度的单端加热管通过软导线接到仪器电源上，仪器电源采用直流稳压可调电源。这就做成了一个较简单的用电热法测热功当量的实验装置。
1.高密度的单端加热管
2.蒸汽管
3.电子天平
4. 杜瓦瓶
5.热功当量实验仪
图 2 实验装置
Fig.2 Test installation
4 实验原理
在杜瓦瓶中加入了适量的水，加热电阻丝加上直流工作电压，水沸腾后，蒸汽从出汽口冒出来。测出加热电阻丝上两端的电功A，以及在此电功A作用下汽化的液体的质量m，则:
=
A+
h
mL
式中: L为液体的汽化热；h为整个系统散失的热量。
假定在相同的时间间隔里，液体的汽化使实验装置散失的热量h 相等，则可得到下列等式：
h L m A +=11 h L m A +=22
由上两等式得：
)(/)(/2121m m L A A Q A J --== (cal J /)
式中，1A 及2A 为相同条件下，相同的时间间隔里，两次不同电功作用下的实验数据，L 为水的标准汽化热，kg cal L /105393
?=，利用上式即可求得热功当量J 。 5 实验方法 5.1 电子天平校准。
5.2 安装实验装置，加热水至沸腾数分钟。
5.3 每隔2分钟时, 记录电子天平读数m 和电功A 读 数，连续记录5次，用逐差法求出2分钟内汽化的水的质量1m 和电功1A 。
5.4 改变加热电压重复上述实验内容求出2分钟内汽化的水的质量2m 和电功2A 。 六、实验数据及结果
表1 用改进后的电热法热工当量实验装置测得的数据
Tab.1 Data which obtains after the improvement electrothermics hot working equivalent test installation
s T /1
J A /1
g m /1
s T /2
J A /2
g m /2
0 0 0 0 0 0 120 2286 -0.42 120 2936 -0.68 240 4572 -1.24 240 5870 -2.10 360 6858 -2.05 360 8806 -3.54 480
9144
-2.86
480
11741
-4.93
根据测得的实验数据计算热功当量J ：
108.4)(/)(/2121=--==m m L A A Q A J (cal J /)
百分误差： %88.11868.4/)108.41868.4(=-=E
本装置结构简单，操作容易，加热装置采用高密度的单端加热管使用寿命长，加热功率稳定。加热电功可以从仪器上直读，利用电子天平可实时测量汽化量，不需测量温度。采用对比法修正系统热散失的影响，可精确测定热功当量，实验百分误差一般都能控制在%5以内，达到了改进实验装置的目的。 参考文献：
[1] 代伟,方小兵,陈太红等.大学物理实验[M].北京:科学出版社,2010,106～108. [2] 任亚杰,姚进斌. 热功当量的测定[J].周口师范学院学报,2003, 20(2),70～72. [3] 马庆芳, 方荣生.实用热物理性质手册[M].北京:中国农业出版社,1986.67,69,86,809. [4] 胡平亚. 用电热法测热功当量实验的改进[J].物理实验,1998,8(5):199～200.
Electric heating law survey mechanical equivalent of heat experiment's improvement
DAI Wei ，LI Jun, CHEN Tai-hong, LAN Xiao-gang
(College of physical and electronic information ，China West Normal University, Nanchong
637002,China)
Abstract: Existing electrothermics hot working equivalent experiment meter with resistance wire heating, glass-stem thermometer temperature measurement, manual time, test installation simple, the experimental technique is not good, therefore causes the experiment to operate the difficulty, the measuring error is big. This article according to the electrothermics survey mechanical equivalent of heat experiment principle, to the existing electrothermics measured that the mechanical equivalent of heat test installation and the experimental technique proposed the improvement, this experimental design method science, correct, the experimental error is small, feasibility, is completely feasible after the experimental verification, has the promoted value.
Keywords: Electrothermics; Mechanical equivalent of heat; Determination method; Improvement