大学物理空气比热容的测量实验报告

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空气比热容比的测定

在热学中比热容比是一个基本物理量。过去，由于实验测量手段的原因使得对它的测量误差较大。现在通过先进的传感器技术使得测量便得简单而准确。本实验通过压力传感器和温度传感器来测量空气的比热容比。 一、实验目的

1. 用绝热膨胀法测定空气的比热容。

2. 观察热力学过程中状态变化及基本物理规律。

3. 学习气体压力传感器和电流型集成温度传感器的原理及使用方法。 二、实验原理

理想气体定压摩尔热容量和定体摩尔热容量之间的关系由下式表示

R C C v p =- （4-6-1）

其中, R 为普适气体常数。气体的比热容比γ定义为

v

p C C =

γ

（4-6-2）

气体的比热容比也称气体的绝热系数，它是一个重要的物理量，其值经常出现在热力学方程中。

测量仪器如图4-6-1所示。1为进气活塞C 1，2 为放气活塞C 2，3为电流型集成温度传感器,4为气体压力传感器探头。实验时先关闭活塞C 2，将原处于环境大气压强为P 0、室温为T 0的空气经活塞C 1送入贮气瓶B 内，这时瓶内空气压强增大，温度升高。关闭活塞C 1，待瓶内空气稳定后，瓶内空气达到状态Ⅰ（101,,V T P ）

，V 1为贮气瓶容积。 然后突然打开阀门C 2，使瓶内空气与周围大气相通，到达状态Ⅱ（),,220V T P 后，迅速关闭活塞C 2。由于放气过程很短，可认为气体经历了一个绝热膨胀过程，瓶内气体压强减小，温度降低。绝热膨胀过程应满足下述方程

γ

γ2

011V P V P =

（4-6-3）

在关闭活塞C 2之后，贮气瓶内气体温度将升高，当升到温度T 0时，原气体的状态为Ⅰ（101,,V T P ）改变为状态Ⅲ（202,,V T P ）

，两个状态应满足如下关系：

2

211V P V P =

（4-6-4）

由（4-6-3）式和（4-6-4）式，可得

)lg /(lg )lg (lg 1210P P P P --=γ （4-6-5）

利用（4-6-5）式可以通过测量P 0、P 1和P 2值，求得空气的比热容比γ值。

图4-6-1 测量仪器示意图 图4-6-2 系统连接图

三、实验仪器

NCD-I 型空气比热容比测量仪由如下几个部分组成：贮气瓶（由玻璃瓶、进气活塞、橡皮塞组成）、两只传感器（扩散硅压力传感器和电流型集成温度传感器AD590各一只）、测空气压强的三位半数字电压表、测空气温度的四位半数字电压表。测空气压强的数字电压表用于测量超过环境气压的那部分压强，测量范围0~10000Pa ，灵敏度为20mv/Kpa （表示1000Pa 的压强变化将产生20mv 的电压变化，或者50Pa/mv ，单位电压变化对应50Pa 的压强变化）。实验时，贮气瓶内空气压强变化范围为6000Pa 。

图4-6-1实验装置中，温度传感器3是新型半导体温度传感器，其测量灵敏度高，线性好，测温范围为-50~150℃，接6V 直流电源后组成一个稳流源。它的测温灵敏度单位为1μA/℃，若串接5K Ω电阻后，可产生5mv/℃的信号电压，接0~2V 量程四位半数字电压表，可检测到最小0.02℃温度变化。气体压力传感器探头4由同轴电缆线输出信号，与仪器内的放大器及三位半数字电压表相接。当待测气体压强为环境大气压P 0时，数字电压表显示为0，当待测气体压强为P 0+10000Pa 时，数字电压表显示为200mv ，仪器测量气体压强灵敏度为20mv/ 1000Pa 。 四、实验步骤

1. 按图4-6-2接好仪器的电路，注意AD590的正负极不要接错。用Forton 式气压计测定大气压强P 0，用水银温度计测量环境温度。开启电源，将电子仪器部分预热20分钟，然后用调零电位器调节零点，把三位半数字电压表示值调到0。

2. 将活塞C 2关闭，活塞C 1打开，用打气球把空气稳定地徐徐进入贮气瓶B 内，用压力传感器和AD590温度传感器测量空气的压强和温度，记录瓶内压强均匀稳定时压强P 1和温度T 0（室温为T 0）（P 1取值范围控制在130mV~150mV 之间。由于仪器只显示大于大气压强的部分，实际计算时式（4-6-5）中的压强P 1应加上周围大气压强值）。

3. 突然打开活塞C2，当贮气瓶的空气压强降低至环境大气压强P0时（这时放气声消失），迅速关闭活塞C2．

4. 当贮气瓶内空气的温度上升至室温T0时，记下贮气瓶内气体的压强P2（由于仪器只显示大于大气压强的部分，实际计算时式（4-6-5）中的压强P2应加上周围大气压强值）。

5. 用公式（4-6-5）进行计算，求得空气比热容比值。

五、注意事项

1. 在实验步骤3打开活塞C2放气时，当听到放气声结束应迅速关闭活塞，提早或推迟关闭活塞C2，都将影响实验结果，引入误差。

2. 实验要求环境温度基本不变，如发现环境温度不断下降，可在远离实验仪器处适当加温，以保证实验正常进行。

六、数据记录与处理

1.参考表4-6-1记录实验数据。

2.计算空气比热容比的平均值和标准偏差，给出测量结果。

表4-6-1 数据纪录参考用表

七、思考题

1.打开活塞C2放气时, 提早或推迟关闭如何影响测量结果?

2.环境温度的逐渐升高或下降会对实验结果产生什么影响?

实验4－7 万用表和惠斯登电桥的使用

万用表即万用电表，它是电学最常用的一种测量仪器，它不仅可以测量交流和直流电压，还可以测量直流电流和电阻，一表多能，掌握万用表的使用方法是电学实验的基本要求之一。电桥也是一种常用的电学测量仪器，其原理是比较法，因而具有灵敏度高和使用方便的特点。利用电桥不仅可以测量电阻、电容和电感等电学量，还可以将温度、压力等非电量以电量的形式测量出来，因此应用十分广泛。在各种电桥中，惠斯登电桥是一种最基本的电桥，本实验以惠斯登电桥为基础，采用交换法和代替法精密测量电阻，同时学习万用表的使用方法。