⑴ 用稳态平板法测物体的导热系数 在T-t图像取哪一点的斜率
在T-t图上应取在T2点处的曲线斜率,因为该点即表示铜散热盘在T2点的冷却速率,然后可求出稳态传热时的传热速率,代入公式得到样品圆盘的导热系数。
⑵ 高一物理实验题总结
本实验研究小车(或滑块)的加速度a与其所受的合外力F、小车质量M关系,实验装置的主体结构如图所示。由于涉及到三个变量的关系,采用控制变量法,即:
(1)控制小车的质量M不变,讨论a与F的关系。
(2)再控制托盘和钩码的质量不变即F不变,改变小车的质量M,讨论a与M的关系。
(3)综合起来,得出a与F、M之间的定量关系。
实验涉及三个物理量的测量:即质量、加速度、和力,其中加速度和力的测量方法具有探究意义。
一、如何测量小车的加速度
1.纸带分析方法
例如:“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图甲所示。在平衡小车与木板之间摩擦力的过程中,打出了一条纸带如图乙所示。计时器打点的时间间隔为0.02s。从比较清晰的点起,每5个点取一个计数点,量出相邻计数点之间的距离。该小车的加速度a=______m/s2。(结果保留两位有效数字)
用公式,t=0.1s,(3.68-3.52)m,代入求得加速度=0.16m/s2,也可以用最后一段和第二段的位移差求解,加速度=0.15m/s2。
2.对比分析法
实验装置如下图所示,在两条高低不同的导轨上放置两量小车,车的一端连接细绳,细绳的另一端跨过定滑轮挂一个小桶;车的另一端通过细线连接到一个卡口上,它可以同时释放两辆小车。辆车从静止开始做匀加速直线运动,相等时间内通过对位移与它们的加速度成正比,因此实验中不必计算出加速度,可以采用比较位移的方法,比较加速度的大小。
例如:某小组设计双车位移比较法来探究加速度与力的关系。通过改变砝码盘中的砝码来改变拉力大小。已知两车质量均为200g,实验数据如表中所示:
实验次数
小车
拉力F/N
位移s/cm
拉力比F甲/F乙
位移比s甲/s乙
1
甲
0.1
22.3
0.50
0.51
乙
0.2
43.5
2
甲
0.2
29.0
0.67
0.67
乙
0.3
43.0
3
甲
0.3
41.0
0.75
0.74
乙
0.4
55.4
分析表中数据可得到结论:在实验误差范围内当小车质量保持不变时,由于,说明。
3.光电门计时法
实验装置如下图所示,研究气垫导轨上滑块的加速度,滑块上安装了宽度为L的挡光片,如图,滑块在牵引力作用下,先后通过两个光电门,配套的数字计时器记录了通过第一个光电门的时间t1,通过第二个光电门的时间t2,则
小车通过第一个光电门的速度,小车通过第二个光电门的速度
若测得两光电门间距为x,则滑块的加速度
简化装置图
4.DIS实验法
采用DIS手段做实验具有快捷、方便、精确、细微的优点。
例如测量小车下滑的加速度,位移传感器(发射器)随小车一起沿倾斜轨道运动,位移传感器(接收器)固定在轨道一端,如下图所示。
数据采集器将位移传感接受器接收到的数据传入计算机,计算机进行数据处理,可以直接得到小车运动的v-t图象,根据v-t图象可求出小车的加速度。
比较以上四种方法,形式不同原理相似,都是利用运动学中公式或图象计算出来的加速度,只是实验中直接测量物理量不同。
二、怎样测量小车所受的合外力F?
1.平衡摩擦力
小车所受的合外力等于小车受到的重力、支持力、摩擦力和绳子拉力的合力,若小车受到的重力、支持力、摩擦力的合力等于零,那么小车的合外力等于绳子的拉力。
怎样实现小车运动时受到的重力、支持力、摩擦力的合力等于零呢?构建斜面情景,调节斜面的倾斜角度,使小车在重力、支持力、摩擦阻力的作用下做匀速运动,也就是重力的在斜面方向的分力与摩擦力平衡,即平衡摩擦力。
用实验方法检查平衡的效果:长木板的一端垫高一些,使之形成一个斜面,然后把实验用小车放在长木板上,轻推小车,给小车一个沿斜面向下的初速度,观察小车的运动情况,看其是否做匀速直线运动。如果基本可看作匀速直线运动,认为达到平衡效果。
在实验开始后,小车运动的阻力不只是小车受到的摩擦力,还有纸带的摩擦力。上面的操作中没有考虑后者。所以平衡摩擦力正确的方法应该拖着纸带。检验平衡效果凭眼睛直接观察,判断小车是否做匀速直线运动不可靠。正确做法是:轻推小车,给小车一个沿斜面向下的初速度,观察小车的运动,用眼睛看到小车近似匀速运动以后,保持长木板和水平桌面的倾角不变,并装上打点计时器及纸带,接通电源,使小车拖着纸带沿斜面向下运动.取下纸带后,如果纸带上打出的点子间隔基本上均匀,表明小车受到的阻力跟它的重力沿斜面的分力平衡。
平衡摩擦力以后,实验中需在小车上增加或减少砝码,改变小车对木板的压力,摩擦力会发生变化,需要重新平衡摩擦力吗?具体分析如下:
小车拖着纸带平衡摩擦力,设小车的质量为M,则有
化简为,式中f是纸带受到的摩擦力
由上式可知,平衡一次摩擦力后,木板倾角不变,改变小车的质量M,方程两边不再相等,小车所受合外力的测量将会产生误差。
可见,只平衡一次摩擦力后,保持斜面的倾角不变,不会消除由纸带的摩擦力引起的误差。若实验时,纸带受到的摩擦力小到可以忽略,上述方法还是可行的。
2.平衡摩擦力后,小车受到的合力等于绳子的拉力,如何测量拉力
实验中,当小车质量M远大于砂及桶的总质量m,可近似认为对拉力F等于砂及桶的重力mg。严格地说,细绳对小车的拉力F并不等于砂和砂桶的重力mg,而是。推导如下:
对砂桶、小车整个系统有: ①
对小车: ②
由①②得:
由于,因此
若允许实验误差在5%之内,则由
在实验中控制 (一般说: )时,则可认为F=mg,由此造成的系统误差小于5%。
为了提高实验的准确性,在小车和重物之间接一个不计质量的微型力传感器,可以直接从计算机显示的图象中准确读出小车受到的拉力大小。
三、图象法数据处理,三个图象变形的原因
在画和 图象时,多取点、均分布,达到一种统计平均以减小误差的目的。图象的形状不易直接观察加速度与质量间的关系,该实验采取了化曲为直的转化思想。
1.该实验得到图象如图所示,直线I、II在纵轴和横轴上的截距较大,明显超出了误差范围。图像I在纵轴上有较大的截距,说明在绳对小车的拉力F=0时(还没有挂砂桶)时,小车就有了沿长木板向下的加速度。设长木板与水平桌面间的夹角为,小车所受的重力为,沿长木板向下的分力应为,长木板对小车的摩擦阻力应为,设运动系统所受其他阻力为(可视为定值),则应有,其中为定值,如果适当减少值,实现=0,图象起点回到坐标系原点,表明斜面的倾角过大。
图像II在横轴上有较大的截距,说明在绳对小车有了较大的拉力F后,小车的加速度仍然为零,因此合外力一定为零,此时应有(为静摩擦力最大值,且随变化),当较小或等于零时该式成立。表明长木板倾角θ太小。
2.如图是研究质量一定,加速度与合外力的关系的图象,其图象的斜率物理意义分析如下:
即
该实验图象的纵坐标是小车的加速度,横坐标F=mg,可写成,图象的斜率K=。
在条件下,增加m,斜率可认为等于,由于M不变,故斜率不变,图象是直线。不满足条件,斜率随m的增大而减小。故上面图象中AB段向下弯曲。
四、优化实验方案,减小实验误差
优化方案1:巧妙转换研究对象,消除系统误差
本实验以小车为研究对象,以砂桶重力替代牵引力,产生了系统误差。要消除这种误差,可以小车与砂桶组成的系统为研究对象。则该系统质量 ,系统所受合外力 。验证a与F关系时,要保证 恒定,可最初在小车上放几个小砝码,逐一把小砝码移至砂桶中,以改变每次的外力;验证a与总质量的关系时,要保证砂、桶重力不变,可在小车上逐一加放小砝码,以改变每次总质量。其他方法步骤同原来一样。
优化方案2:利用DIS实验精确简捷
实验装置示意图如图,用位移传感器测小车的加速度,用拉力传感器测小车受到的拉力。
优化方案3:简化装置如图
实验器材:高度可调的气垫导轨、滑块、光电门计时器(1个)、米尺
实验步骤:
①让滑块自斜面上方一固定点A1,从静止开始下滑至斜面底端A2,用光电门测量出滑块通过A2位置时的遮光时间t,并求出滑块在A2位置时的速度v=,l为遮光板长度。
②用米尺测量A1与A2之间的距离x,则小车的加速度a=v2/2x。
③用米尺测量A1相对于A2的高h。设小车所受重力为mg,则小车所受的合外力F=mgh/x。
④ 改变斜面倾角或h的数值,重复上述测量。
⑤以h为横坐标,v2为纵坐标,根据实验数据作图。
若得到一条过原点的直线,则“质量一定时,物体运动的加速度与它所受的合外力成正比”。
滑块在气垫导轨上运动受到的阻力很小,可认为小车的重力在斜面方向的分力等于滑块所受的合外力。该实验方案用光电门测量出滑块下滑至A2的速度v,以及A1相对于A2的高h,间接测量出小车的加速度,巧妙测量出滑块所受的合外力。
该方案研究合外力一定时,加速度与质量的关系,同时改变m和h,只要mh的乘积不变,即保证合外力不变,加速度的测量方法同上。
⑶ 大学物理实验:用稳态平板法测不良导体的导热系数的实验中,实验原理使用了哪些近似条件
一,待测材料的侧面近似绝热。
二,待测材料上下表面的温度保持恒定。
三,其他外界无关因素基本保持恒定。
基本也就这么多啦!
⑷ 什么是稳态平板法
导热系数是表征材料导热能力的物理量。对于不同的材料,导热系数是各不相同的,对同一材料,导热系数还会随着温度、压力、湿度、物质的结构和重度等因素而变异。各种材料的导热系数都用实验方法来测定,如果要分别考虑不同因素的影响,就需要针对各种因素加以试验,往往不能只在一种实验设备上进行。稳态平板法是一种应用一维稳态导热过程的基本原理来测定材料导热系数的方法,可以用来进行导热系数的测定实验,测定材料的导热系数及其和温度的关系。 实验设备是根据在一维稳态情况下通过平板的导热量Q和平板两面的温差Δt成正比,和平板的厚度δ成反比,以及和导热系数λ成正比的关系来设计的。
⑸ 大学物理实验模拟实验测量不良导体系数怎样放回仪器
一实验目的
用稳态平板法测量不良导体的导热系数
用物体的散热速率求传热速率
掌握热电偶测量温度的方法
二实验仪器
导热系数仪、杜瓦瓶,热电偶、FPZ-1型多量程直流数字电压表、游标卡尺、停表
三实验原理
稳态平板法
为热流量,λ为该物质的导热系数,也称热导率,h-样品厚度,
A-样品面积。所谓稳态指的是高温物体传热的速率等于低温物体散热的速率时,系统便处于一个稳定的热平衡状态。
⑹ 什么是稳态平板法
稳态平板法是一种专门用来测试导热系数的方法,实验时,加热盘将热量通过样品的上表面传入样品,同时传入样品的热量不断经过样品的表面通过散热盘向外界散发。当传入样品的热量对于散发出的热量时,样品处于稳定的导热状态,达到稳态。
稳态时加热盘和散热盘的温度为一稳定值。实验中根据样品上、下表面的温度(即加热盘和散热盘的温度)连续5min内保持不变(电压表读数末位数相差1~
2),判断达到稳定状态。
⑺ 稳态法测固体导热系数在什么情况下
稳态
法测
固
体的
导热
系数
热传导是热量传递的三种基本形式之一,
是指物体各部分之间不发生相对宏观位移情
况下由于温差引起的热量的传递过程,其微观机制是热量的传递依靠原子、分子围绕平衡
位置的振动以及自由电子的迁移。在金属中自由电子起支配作用,在绝缘体和大部分半导
体中则以晶格振动起主导作用。
法国科学家傅里叶(
J.B.J.Fourier 1786
——
1830
)根据实验得到热传导基本关系,
1822
年在其著作
《热的解析理论》
中详细的提出了热传导基本定律,
指出导热热流密度
(单
位时间通过单位面积的热量)和温度梯度成正比关系。数学表达式为:
T
grad
q
此即傅里叶热传导定律,
其中
q
为热流密度矢量
(表示沿温度降低方向单位时间通过
单位面积的热量)
,
是导热系数又称热导率,是表征物体传导热能力的物理量,
在数
值上等于每单位长度温度降低
1
个单位时,单位时间内通过单位面积的热量,其单位是
1
1
K
m
W
。
一般说来,
金属的导热系数比非金属的要大;
固体的导热系数比液体的
要大;气体的导热系数最小。因此,某种物体的导热系数不仅与构成物体的物质种类密切
相关,而且还与它的微观结构、温度、压力、湿度及杂质含量相联系。在科学实验和工程
设计中,需要了解所用物体的一些热物理性质,导热系数就是重要指标之一,常常需要用
实验的方法来精确测定。
测量导热系数的方法很多,
没有哪一种测量方法适用于所有的情形,
对于特定的应用
场合,也并非所有方法都能适用。要得到准确的测量值,必须基于物体的导热系数范围和
样品特征,选择正确的测量方法。测量方法可以分为稳态法和非稳态法两大类。稳态法是
在加热和散热达到平衡状态、样品内部形成稳定温度分布的条件下进行测量的方法。非稳
态法则是在测量过程中样品内部的温度分布随时间是变化的,测出这种变化,得到热扩散
率再利用物体已知的密度和比热,求得导热系数。本实验采用稳态平板法测量物体的导热
系数,该法设计思路清晰、简捷,具有典型性和实用性。
【
实验目的
】
1
.了解热传导现象的物理过程。
2
.了解物体散热速率和传热速率的关系。
3
.学会用铂电阻型传感器测定温度。
4
.学习一种测量材料导热系数的实验方法。
【
实验原理
】
稳态平板法测量物体的导热系数原理示意图如图
1
,发热盘
A
将热量传到待测物体样
品盘
B
,再传到散热盘
C
,由于
A
、
C
盘是用热的良导体做的,与待测样品盘
B
紧密接触,
1
其温度可以代表
B
盘上、下表面的温度
2
1
T
,
T
,
(
2
1
T
T
)
,在样品盘
B
内,若热传导方
向垂直于上、下表面,两表面彼此间相距为
B
h
、面积均为
S
,当热传导达到稳定状态时,
即
1
T
和
2
T
的值不变,
根据傅立叶热传导定律,则在
t
时间内通过
B
盘的热量
Q
满足下
述表达式:
B
B
h
T
T
S
t
Q
)
(
2
1
稳态
( 1 )
式中
t
Q
为热流量,
即为该物质的导热系数(又称作热导
率)
,
若样品盘
B
做成圆盘,其半径为
B
R
,由式(
1
)可以知
道,单位时间内通过待测样品
B
任一圆截面的热流量为:
2
2
1
)
(
B
B
B
R
h
T
T
t
Q
稳态
( 2 )
当热传导达到稳定状态时,
此时通过
B
盘上表面的热流量与由散热盘
C
向周围环境散
热的速率相等,即
散热
稳态
C
t
Q
t
Q
B
(
3
)
因此可通过
C
盘在稳定温度
2
T
时的散热速率来求出热流量
t
Q
。
实验中,
在读得稳态时
的
1
T
和
2
T
后,
即可将
B
盘移去,
而使发热盘
A
的底面与散热盘
C
直接接触。
当盘
C
的温
度上升到高于稳态时的
2
T
值若干摄氏度后,再将发热盘
A
移开,让散热盘
C
自然冷却。
观察它的温度
T
随时间
t
变化情况,然后由此求出
C
盘在
2
T
的冷却速率
2
T
T
t
T
,
散热盘
C
的散热速率与其冷却速率的关系为
2
T
T
C
t
T
mc
t
Q
散热
(
4
)
式
(4)
中
m
是散热盘的质量,
c
是散热盘的比热。
但要注意,
这样求出的
t
T
是
C
盘的全部表面暴露于空气中的冷却速率,
其散热表面
积为
C
C
C
h
R
R
2
2
2
(其中
C
C
h
R
与
分别为
C
盘的半径与厚度)
。然而,在观察
测试样品的稳态传热时,
C
盘的上表面(面积为
2
C
R
)是被样品覆盖着的,根据物体的冷