力學(xué)測量和熱學(xué)測量中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)軒植華

力學(xué)測量和熱學(xué)測量 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 軒植華 物理學(xué)是研究物質(zhì)運動、物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性 質(zhì)的科學(xué)，是最重要和最基本的自然科 學(xué)。 研究的主要途徑就是實驗，實驗的主要 手段是測量。所謂測量，就是將待測物 的某特性與被選作標準的某物的某個特 性做比較。 伽利略開創(chuàng)了物理學(xué)，是力 學(xué)測量的集大成者 1，用一個 V型木槽和木球做斜面運動 實驗，用水桶漏水量計量時間，測量 加速度并推算重力加速度。 2，用外推法和邏輯法得到慣性定律。 3，注意到單擺的等時性。 4，改進望遠鏡并觀察月亮。 5，發(fā)明和改進秤（杠桿法）。 細觀察，巧實驗，勤思考， 善推理，精演算 傅科在教堂中發(fā)現(xiàn)懸吊的燈擺動的面并非 嚴格的平面，這個面緩慢但不斷地旋轉(zhuǎn)， 燈繩長短不同，旋轉(zhuǎn)周期不同；緯度不同， 周期也不同，在北極旋轉(zhuǎn)周期為 24小時。 望遠鏡是荷蘭的一個眼鏡店學(xué)徒先發(fā)現(xiàn)， 伽利略解釋并改進。 一 力學(xué)測量 確定物體的位置、長度、速度、加速度、 運動軌跡等屬于運動學(xué)測量； 而了解物體運動與質(zhì)量和力關(guān)系，屬于動 力學(xué)范疇； 描述硬度、黏性、楊氏模量、表面張力系 數(shù)等物質(zhì)特性，屬物性研究。 這些測量又與質(zhì)量、時間等物理量密切相關(guān)。 用儀器測量力學(xué)量的量限向兩端延伸： 質(zhì)量 跨 15個量級； 力值跨 16個量級； 壓強跨 14個量級。 測量方式由靜態(tài)測量到動態(tài)測量，在 變化過程中實時測量，廣泛使用各種 傳感器。 在我們的實驗課程中也學(xué)習(xí)傳感器測 量較小的物理量。 而對于天體位置、距離以及運動 的測量，則根據(jù)它們的運動規(guī)律 以及光譜進行間接測量。 對物質(zhì)微觀粒子力學(xué)性質(zhì)的測 量，要用到光學(xué)、電磁學(xué)、原 子以及核物理等手段進行間接 測量。 力學(xué)測量中涉及到杠桿原理（如天平實驗） 阿基米德定律（流體靜力秤 測量密度） 胡克定律（彈簧 測量液體表面張力） 光線反射和折射定律（光杠桿 測量 楊氏模量） 干涉或衍射（牛頓環(huán)測量透鏡曲率半徑， 測量細絲或狹縫寬度） 多普勒效應(yīng)（測量速度和加速度） 壓電效應(yīng)（應(yīng)用傳感器制作電子秤）等。 要確定速度等力學(xué)量，還必須測量時間。 從古代的日晷、沙漏， 到以擺動的等時性為基礎(chǔ)的機械式鐘表， 到晶體震蕩為基礎(chǔ)的石英鐘， 一直到原子鐘，時間測量的精度大大提 高了。 在我們的物理實驗課中，涉及速度、 加速度的有氣墊導(dǎo)軌、單擺或物理擺、 多普勒效應(yīng)等實驗，測量聲速的實驗； 還有測量密度、楊氏模量、粘滯性、 表面張力等涉及物質(zhì)性質(zhì)的實驗； 應(yīng)用傳感器測量質(zhì)量、微小形變等。 光速已經(jīng)是長度單位米的定義 原始的米原器長度受溫度影響，不易復(fù)制 1960年定義米的長度為氪 -86的 2p10和 5ds 能級之間躍遷的輻射在真空中波長的 1 650 763.73倍。 現(xiàn)在定義米的長度為光在真空中 （ 1/299 792 458）秒時間間隔內(nèi)所經(jīng)路 徑 的長度。 強度調(diào)制光的干涉法測量光速 將發(fā)光二極管的紅光的強度調(diào)制為 50MHz 的微波信號； 然后用分束鏡將光分為兩束，一束光的強 度調(diào)制信號輸入雙蹤示波器的 X端，另一束 出射到空氣中并經(jīng)過可移動反射鏡反射回 儀器內(nèi)，將它的強度調(diào)制信號輸入到示波 器的 Y端。 兩個互相垂直的同頻率振動合成為 李薩如圖（一般為橢圓、圓或直 線）； 通過初始條件旋紐，使李薩如圖形 為一直線； 改變反射鏡位置，李薩如圖形將逐 漸成橢圓，其橢圓度和方位角也不 斷變化； 當圖形再次成為直線（從一三象限變?yōu)槎?四象限），光線在儀器外移動了調(diào)制信號 的半個波長，即反射鏡移動了四分之一波 長。測量移動的距離； 波長與頻率的乘積為光速。 此法可得到四位有效數(shù)字。 用電阻應(yīng)變片制作電子秤 傳感器的性質(zhì)和應(yīng)用 P 金屬箔電阻應(yīng)變片貼牢在懸臂梁上下表面， 懸臂梁遠端加砝碼使它彎曲，上表面受到 拉伸，下表面受到壓縮。 所以上表面電阻阻值變大，下表面電阻阻 值變小。 1 敏感柵 2 引線 3 粘結(jié)劑 4 蓋層 5 基底 分別將一個、兩個或四個電阻應(yīng)變片與固 定電阻組成電橋（所謂單臂、半橋或全 橋），以電壓表為平衡檢測器。 未加砝碼時，調(diào)節(jié)電橋平衡，輸出電壓為 零。隨著負載增加，電橋不平衡性加大， 電壓表讀數(shù)越大。 未加砝碼時，調(diào)節(jié)電橋平衡，輸出電壓為 零。隨著負載增加，電橋不平衡性加大， 電壓表讀數(shù)越大。做 M-U圖，是線性關(guān)系。 測量未知質(zhì)量，從非平衡電壓值得到質(zhì)量。 大質(zhì)量測量常常采用這類傳感器。 二 熱學(xué)測量 18世紀末到 19世紀的一百年左 右，以蒸汽機的發(fā)明和使用為 標志的第一次工業(yè)革命極大地 促進了熱（力）學(xué)的發(fā)展。 經(jīng)過幾十年的科學(xué)實驗，特別是 精確地測量了熱功當量，人們認識 到機械能、化學(xué)能、熱能和電磁能 （后來還有原子能和核能）之間是 可以相互轉(zhuǎn)化的，在轉(zhuǎn)換過程中總 量守恒。 這就是熱力學(xué)第一定律。 人類認識到能量轉(zhuǎn)換和守恒定律，其 中焦耳的貢獻是最大的。 對熱力學(xué)發(fā)展做出巨大貢獻的還有卡 諾、邁耶、亥姆霍茲、 W.湯姆孫（開 爾文勛爵）、克勞修斯、吉布斯、恩 斯特等人。 人類的生產(chǎn)、生活以及 科學(xué)研究活動都證實了這是自然界 中最根本的規(guī)律。 熱力學(xué)第二定律還指出了宇宙中一 切宏觀過程發(fā)展變化的方向，也即 時間只能從過去到現(xiàn)在，再到將來 的方向。 如果發(fā)現(xiàn)有不符合這些定律的數(shù)據(jù)或現(xiàn)象， 一定是實驗做錯了或者是有待發(fā)現(xiàn)新的物 質(zhì)形式或新的相互作用。這是無數(shù)實踐證實 了的 ，也將指導(dǎo)人類今后的活動。 不消耗能量的第一類永動機或從單一 能源獲取能量的第二類 永動機是造不出來的。 在改進熱機，提高熱機效率的 實踐中人們又逐漸認識到， 熱機效率不可能到達百分之百。 這又導(dǎo)致熱力學(xué)第二定律的建立。 即一切宏觀過程都是不可逆的。熱力 學(xué)箭頭和時間箭頭是一致的。 但是在微觀世界中，無論是經(jīng)典力學(xué) 還是量子力學(xué)，運動方程都是時間對 稱的，即所有變化都可能反方向進行， 過程是可逆的。 如果摔碎的水杯恢復(fù)原貌，灑到地上的水 聚攏起來，水杯又升高回到桌上，不會違 反任何力學(xué)公式。 從實踐中，我們知道這是不可能的。 這是物理學(xué)和哲學(xué)的有意義和有趣的問題。 在蒸汽機時代，由于科學(xué)發(fā)展的 局限，人們認為有一種無質(zhì)量的物質(zhì) 熱質(zhì) 可以自由地從高溫物體 遷移到低溫物體，并在此 “ 熱質(zhì)說 ” 的基礎(chǔ)上建立了量熱學(xué)、傳熱學(xué)。 現(xiàn)代科學(xué)雖然否定了熱質(zhì)說， 然而由于量熱學(xué)、傳熱學(xué)等 是建立在實驗基礎(chǔ)之上的， 能有效地描述宏觀熱現(xiàn)象。 后人仍然沿用 “ 熱量 ” 、 “ 熱流 ” 等術(shù)語 . 溫度是描述物體冷熱程度的 物理量 ,它是物質(zhì)微觀粒子無 規(guī)則運動動能大小的標志 . 熱學(xué)測量的關(guān)鍵是對溫度的 測量 . 在生產(chǎn)和生活中廣泛使用攝 氏溫標 ,在物理學(xué)研究上使用 熱力學(xué)溫標。 熱力學(xué)溫標與壓強趨于零時 的理想氣體溫標是一致的。 溫度的測量分為直接測量和間 接測量 .所謂直接測量 ,指測溫 元件與被測對象直接接觸 . 常用玻璃液體溫度計 ,金屬電阻 溫度計 ,熱電偶 ,氣體溫度計等 . 間接測量是根據(jù)被測物輻 射的亮度 ,顏色和光譜等特 性 ,非接觸地測量溫度 （如恒星 .溫度的測量，煉 鋼爐內(nèi)溫度的測量等） 熱力學(xué)量是物體微觀態(tài)的宏觀表 征。 熱學(xué)量（如汽化熱、熔解熱、沸點 、凝固點等的測量）與物態(tài)變化 （相變）密切相關(guān)。 所以熱學(xué)測量對于研究物體 的微觀世界也有重要意義。 在我們的實驗課中，要測量比熱容、汽化 熱、熔解熱、導(dǎo)熱系數(shù)、氣體的比熱容比 等，還有測量電阻的溫度系數(shù)并制作半導(dǎo) 體溫度計等實驗。 也有根據(jù)光譜特性測量黑體輻射溫度的實 驗。 測溫元件有液體玻璃溫度計、熱電偶、 半導(dǎo)體溫度傳感器、電阻溫度計等。 實例： 不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測量 橡膠、木材、泡沫塑料等熱的 不良導(dǎo)體，用于各種隔熱裝置 當物體內(nèi)存在溫度梯度時，就有熱量從 高溫出傳遞到低溫處。在單位時間內(nèi)通 過面積的熱量正比于溫度梯度 dS dx dT dt dQ 負號表示熱量從高溫流向低溫，就是導(dǎo)熱 系數(shù)。式中是傳熱速率， 是不容易測量的量。 dtdQ dt dQ 我們把單側(cè)表面積為 S、厚度為 h的圓形 薄板 B兩面的溫度維持在穩(wěn)定的 T1和 T2 （ T1 T2）。薄板的上表面與傳熱筒的 底部（ T1）密切接觸，下表面與一個散 熱黃銅盤 A（ T2）密切接觸（它們側(cè)面各 有小孔，熱電偶插入其中測量溫度）。 在穩(wěn)定傳熱條件下，可認為薄板傳熱速 率與銅盤向環(huán)境的散熱速率相等。 S h TT dt dQ 21 因此可通過銅盤在穩(wěn)定的 T2附近 的散熱速率求出薄板的傳熱速率。 裝置如 圖 。以下設(shè)法求出銅盤在 T2附近的散熱速率。 將熱電偶插入筒底部側(cè)面的小孔以及通盤 側(cè)面的小孔，另一端插入杜瓦瓶中的冰水 混合物中。 將樣品夾在傳熱筒底與銅盤 A之間， 使兩面接觸良好 。 用調(diào)壓器調(diào)節(jié)紅外線燈加熱器電 壓，每 2分鐘記錄傳熱筒底部的 溫度 T1和銅盤溫度 T2。若 10分 鐘內(nèi) T1和 T2基本不變，記錄它 們。 移去樣品，讓 A盤直接與傳熱器筒 底接觸，加熱 A盤，使之溫度比 T2高 10度左右，斷開電源，移去 傳熱筒，讓銅盤自然冷卻，每隔 30秒記錄一次溫度 。 選擇 T2附近前后的 10個數(shù)據(jù)，用作圖法、 逐差法或回歸法計算出 A盤的冷卻速率 用公式計算散熱速率從而得到導(dǎo)熱系數(shù) dt dT