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探讨热学实验测量原理设计

2020-06-17 533 上传者：管理员

摘要：实验测量原理是实验的基础，其设计既遵循一定的原则，也蕴涵着丰富的科学思想方法.充分了解和掌握实验测量原理的基本设计方法，对学生实验设计能力和创新能力的培养具有重要意义.结合物理学专业开设的基础性热学实验，从特点、出发点和常用思想方法等几个方面对热学实验测量原理的设计进行深入阐述.研究结果可为热学设计性实验的开发、教学和学习提供有益参考.

关键词：
测量原理
热学
热学实验
物理实验
设计方法
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物理实验是在人为控制条件下，运用仪器、设备使各种物理现象直观呈现，进而有目的、有计划地对其进行观察和测量的一种研究方法，其主要特点是具有可控性和可重复性．实验测量原理是实验的基础，为了测定某个物理量，首先要根据基本的物理学概念、定理和定律，结合具体的物理过程和理想模型，给出待测物理量与其它物理量之间的关系式，后者一般是在实验中能直接测得的量，称为直接测量量．实验测量原理设计的目的就是给出待测量的测量关系式及直接测量量的测量方法．热学实验测量原理的设计遵循一定的规律，也蕴涵着丰富的科学思想方法．充分了解和掌握实验测量原理的设计方法，对学生实验设计能力和创新能力的培养具有重要意义．目前相关文献研究主要集中在对物理实验设计的思想方法[1,2]、中学物理实验设计思想方法[3,4]或者某一种设计思想方法的阐述[5,6]，专门针对大学热学实验设计方法方面的研究还很少．本文结合物理学本科师范专业开设的基础热学实验，对热学实验测量原理的设计方法进行深入阐述，为热学实验的开发、教学和学习提供有益参考．

1、热学实验测量原理设计的特点

热学实验以量热学、固体热膨胀、相变、气态变化、液体粘性及表面张力等热现象及其基本规律的验证为主要研究内容．在物理学本科专业开设的基础热学实验中，主要是测量物质的某种热力学性质，如物质的比热容、金属的线膨胀系数、水的比汽化热、液体的表面张力系数、流体的粘性系数、不良导体的导热系数等．在遵循实验设计一般原则的同时，热学实验测量原理设计有着自己的个性特点．第一，在热学实验中，一般需要直接测量的基本物理量主要有温度、压强、长度、速度、质量、时间、力等，因此热学实验设计综合性较强，主要围绕如何精确测量这些物理量展开．第二，在很多热学实验中，要求系统与环境是绝热的或环境温度恒定不变，而这些严格的条件在通常的实验教学中都是难以完全满足的．另外，由于热量的传递需要一定的时间，在测量液体或固体系统的温度时通常也难以满足系统处于热平衡态这一理想条件．这些因素都会给测量结果带来较大的系统误差．所以，热学实验测量原理设计的一个重要考虑因素是如何减小系统误差．

2、热学实验测量原理设计的出发点

2.1从定义式出发

从待测物理量的定义式出发进行实验测量原理设计，是最直接、最便于应用的设计思路．例如，为了测量物质比热容的大小，首先考虑比热容的定义

式中温度T、质量m都可以直接测量，但热量Q不可直接测量，之后的实验设计就是围绕如何测得Q展开．

再如，对于稳定态的热传导情形，傅里叶定理的数学表达式中引入了热导系数λ，即

图1稳态法测导热系数原理图

图1稳态法测导热系数原理图下载原图

如果导体的横截面积均匀且截面上各点温度梯度相同，如图1所示，则该式可表示为

根据（3）式，为了测量λ，需要测量导体两端面的距离h、横截面积S以及两端面的温度T1、T2，这些量可以直接测量得到．由于热量是不能直接测量的量，进一步的实验测量原理设计就是围绕如何测得导热速率ΔQ/Δt展开[7].

又如，金属线膨胀系数α的测量实验，测量原理设计的出发点是定义式

式中L，θ和p分别表示金属棒的长度、温度和外界压强．再如，焦耳热功当量J的测量实验，测量原理设计的出发点是定义式[8]

2.2从物理过程出发

从与待测物理量有关的某个物理过程出发推导出待测量的测量关系式，是实验测量原理设计的一种常用方法．例如，准稳态法测导热系数和比热实验利用了自无限大不良导体平板两侧对称地施加热流密度而引发的热传导过程，焦利氏称拉脱法测量液体的表面张力系数实验利用了准静态拉膜过程，落球法测量流体的粘度系数实验利用了小球在流体中的匀速下落过程，测量空气的比热容比实验利用了大空气瓶细玻璃颈中小球快速振动引起的瓶中空气的绝热膨胀过程等等．这些过程遵循某个力学、热力学定理或定律，从而可以列出等式，推导出待测物理量的表达式．

在选取了待测物理量的定义式或利用某个与待测物理量有关的物理过程给出待测物理量的表达式后，接下来的实验测量原理设计，主要目的就是要进一步将式中的不可测量转换为可测量的直接测量量以及准确、方便、快捷地测量出直接测量量．

3、热学实验测量原理设计的常用思想方法

在热学实验测量原理设计中，常用的思想方法主要有平衡法、转化法、比较法、放大法、等效替代法、控制变量法以及补偿法等．

3.1转化法

在物理学中，对一些无形的、不可见的或不可直接测量的物理量，需要将其转换成可以显示表达或可以直接测量的物理量进行间接地测量，这就是转化法的实验设计思想方法．例如，根据比热容定义式（1）测物质比热容时，由于热量Q是不可直接测量的量，通常的实验设计思想是借助一个已知比热容的物体，使其和待测比热容的物质在绝热容器内进行热交换，根据热平衡原理

列方程，得到测量关系式

这样就将不可直接测量的热量Q转化成两个物体的质量m、m测以及热交换过程引起的两个物体的温度变化ΔT、ΔT测等可测量．又如，在热学实验中常用的扩散硅压力传感器是将机械量转为电学量，温差电偶、集成电路温度传感器AD590是把热学量转换为电学量，焦利氏称则是把力的大小转换为弹簧的伸长量，等等．

3.2平衡法

利用平衡状态测量待测物理量的方法，称为平衡法．例如，在混合法测定金属的比热容、水的比汽化热以及电热法测热动当量等实验中，都利用了热学平衡原理，在拉脱法测液体表面张力系数σ、落球法测蓖麻油的粘滞系数等实验中，都用到了力学平衡原理，等等．

3.3比较法

比较法是物理测量中最普遍、最基本的方法．一是直接比较法．它是指将被测量与同类标准量具进行比较而得到测量值的方法．例如，用天平测质量、用刻度尺测长度、用秒表测时间、用温度计测温度等．二是对比实验法．设计物理实验时，利用对比实验，找出物理现象之间的同一性和差异性，从而揭示物理现象的本质．例如，在冷却法测量金属比热容的实验中，使标准物体和待测物体的形状尺寸、表面状况都相同（如涂层、色泽等），从而热交换系数、表面积都相同，于是当周围介质温度不变（即室温θ0恒定），两样品又处于相同温度θ1=θ2=θ时，通过比较两物体冷却至相同温度时所用的时间Δt测和Δt，即可得到

3.4放大法

进行物理实验设计时，在物理现象或待测物理量非常微小的情况下，常将物理现象或物理量按一定的规律放大后再进行观测，这种实验设计思想方法称为放大法．在“布朗运动”的实验中，由于难以观察到液体分子的运动状态，为达到清晰明了的实验效果，在实验设计时通过放大法观察悬浮在液体上的花粉或其它各种不同的悬浮粒子，从而观察得到液体分子做永不停歇的无规则运动．液体温度越高，悬浮粒子运动越快即说明液体分子运动越剧烈，布朗运动间接反映并证明了分子的热运动，这类放大可称为模拟放大．又如，金属杆线膨胀系数的测量实验中，用千分尺的螺旋测微原理或利用杠杆推动指针的角度放大原理来测量金属杆的微小伸长量．再如，实验中一些微小量的测量，如纸厚、金属丝直径等，可先测得若干个数量之和，然后除以给定的个数，这类放大可称为叠加放大．

3.5等效替代法

等效替代法是常用的科学思维方法．等效是指不同的物理现象、模型、过程等，在物理意义、作用效果或物理规律方面是相同的，它们之间可以相互替代而保证结论不变．等效的方法是在面对一个较为复杂的问题时，提出一个简单的方案或设想，而使它们所达到的效果完全相同，从而将问题化难为易，求得解决．

在导热系数测定实验中，关系式（3）中的ΔQ/Δt代表待测物体的导热速率，是不能直接测量的量，如何测得该值是实验测量原理设计必须要解决的一个问题．在图1中，热量是沿着圆柱形装置的轴线方向由上向下传递，显然，达到稳定态时，根据能量转化和守恒定律，通过下铜盘向周围散发热量的散热速率应等于中间待测物体轴向的导热速率，即

前者是可以测量的，因此，可据此运用等效替代法，通过测量下铜盘在空气中的散热速率来测量中间待测物的导热速率．

在物理实验中，等效替代法和转换法都是将无法直接观察或测量的物理特征、过程和变量转换成其它可观察和测量的对象进行研究的方法，但两种方法是不同的．就测量物理量来讲，等效替代法中相互替代的两个量种类相同且大小相等，而转换法中的两个物理量有因果关系，并且性质往往发生了改变．

3.6控制变量法

自然界中发生的各种物理现象都是由许多因素交织在一起形成的，实验设计时必须有逻辑地寻找出这些量之间的关系．根据这些因素对实验结果的影响性质不同，通常将这些量分为：自变量、因变量和独立变量．自变量是在实验过程中要对其进行实际测量的量．因变量指因为自变量或实验环境的变化而导致某些量随之发生改变的量．独立变量，即一个量改变不会引起除因变量以外的其他量改变．物理学中对于多因素（多变量）的问题，常常采用控制因素（变量）的方法，即把多因素的问题变成多个单因素的问题．每一次只改变其中的某一个因素，控制其余几个因素不变，从而研究被改变的这个因素对事物的影响．对各因素分别加以研究，最后再综合解决．无关因素是在实验中不应该涉及到的无关量，但如果实验时不对无关量进行控制，会大大地影响实验的有效性、准确性．因此在实验设计中应该对此量进行把握，将其影响力控制到最低．根据研究目的，采用控制变量法对影响事物变化规律的因素加以人为控制，只改变某个量的大小，从而观察得出相应的物理结论．该方法是一种最常用的、非常有效的探索客观物理规律的科学方法．如考查液体表面张力系数随温度、浓度、种类等的变化规律，以及实验误差来源因素等探究性实验的设计中，都要使用控制变量法．

3.7补偿法

在物理实验的测量过程中，由于各种原因的存在，可能会使原有测量状态受到影响．补偿法就是制造另一种因素去补偿不合理因素的影响，使这种影响减弱或对测量无影响．补偿法大多用在补偿测量和补偿校正系统误差两个方面，在测量中是一种常用的精密测量方法．例如，在混合法测量物质比热容、熔解热、汽化热或电热法测量焦耳热功当量的实验中，通常都要把待测物质放入量热杯中，将进行热交换的实验系统作为一个理想的绝热系统来处理．但实际上，由于绝热条件难以满足，实验系统和环境交换热量难以避免，使得高温物体释放的热量不严格等于低温物体吸收的热量．对于实验系统的初、终态温度便于把控的情况，由此产生的系统误差可以采用冷热补偿法进行修正．下面以实验系统的降温过程为例对冷热补偿法原理进行说明．

图2冷热补偿法原理

图2冷热补偿法原理下载原图

假设开始时向量热器内杯加入比环境温度高的水，水、量热器内杯、搅拌器等构成热交换系统的高温系统，初温为T1，然后将温度低于室温θ的低温系统（如冰块）与水混合，热交换过程完成后系统终温为T2，低于室温θ．在此过程中，水温T随时间t的变化曲线示意图如图2所示．

t1至tθ（对应着初温T1至θ）时间内，T-θ>0，实验系统散热，对应于图2中面积S1．根据牛顿冷却定律，这段时间系统散失的热量为

tθ至t2（对应θ至T2）时间内，T-θ<0，实验系统吸热，对应图2中面积S2，这段时间系统吸收的热量为

由（10),(11）两式可知，系统散热、吸热的多少分别与面积S1,S2成正比．若S1≈S2，系统吸热和散热就可以相互抵消．实际操作中，在对实验精确度要求不高的情况下，常取T1-θ=θ-T2来进行近似修正．必须明确指出的是，（10）和（11）两式只是在T与θ较为接近的情况下才成立，因此加入冰块质量与高温的选定尤为关键．

4、结束语

物理实验设计具有高度的综合性、灵活性和创造性．加强物理实验设计思想方法的探索和教学，提高学生实验设计能力，是培养科技创新人才的有效途径．本文结合本科物理学专业开设的基础热学实验，深入阐述了热学实验测量原理设计的基本思想方法，这些方法在力、电、光等物理学科的实验设计中也有广泛的应用，值得在今后的普通物理实验教学改革中做更深入的理论和实践探讨．

参考文献：

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张凤华.热学实验测量原理设计方法探究[J].沧州师范学院学报,2020,36(02):114-117+128.

基金:沧州师范学院产学研合作教育专项基金项目“产学研合作教育模式下物理学专业实验教学研究改革方案探究”,编号:CXY2017009;沧州师范学院教研教改项目“物理学专业实施‘基本功+’教育的理论和实践探索”,编号:JXFS2017017.

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期刊名称：物理实验

期刊人气：1891

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主管单位：中华人民共和国教育部

主办单位：东北师范大学

出版地方：吉林

专业分类：科学

国际刊号：1005-4642

国内刊号：22-1144/O4

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创刊时间：1980年

发行周期：月刊

期刊开本：大16开

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