本發(fā)明涉及一種物理實驗教學(xué)儀器，尤其涉及一種注入式精確測量金屬比熱容的實驗方法。

背景技術(shù)：

1、量熱器是高校物理教學(xué)中一種常用的教學(xué)實驗儀器，用以測量與外界沒有熱交換的孤立系統(tǒng)內(nèi)部的溫度變化情況，通過量熱器采用混合量熱法可以測量冰的溶解熱、非金屬材料比熱容等，但是在測量金屬材料的比熱容時會產(chǎn)生很大的誤差。

2、混合法測量金屬比熱容在量熱器內(nèi)進(jìn)行，其基本原理是，由一個初始溫度為t1的系統(tǒng)i與溫度為t2的系統(tǒng)ii混合，混合后的平衡溫度為t3，如果不考慮與外界的熱交換，則低溫系統(tǒng)ii吸收的熱量等于高溫系統(tǒng)i釋放的熱量，熱平衡方程為

3、ci(t1-t3)＝cii(t3-t2)?????????<1>

4、ci、cii為系統(tǒng)i和系統(tǒng)ii的熱容。

5、實際測量中，是將一個待測量的金屬塊與水混合來完成測量工作。由于金屬塊的溫度不方便測量，而室溫是穩(wěn)定的溫度，所以金屬塊一般設(shè)置為室溫(設(shè)為低溫系統(tǒng)ii)，而需要測出量熱器內(nèi)(設(shè)為高溫系統(tǒng)i包括水、攪拌器及測溫裝置等)的溫度后再投入金屬塊使二者混合，由于金屬材料的特點是導(dǎo)熱快，熱容小，很容易出現(xiàn)平衡后的量熱器內(nèi)系統(tǒng)溫度與之前的水溫度差別不大，給實驗結(jié)果帶來很大的相對誤差，所以一般要求量熱器內(nèi)水的溫度盡量與金屬塊的溫差大一些，即系統(tǒng)i與系統(tǒng)ii的初始溫度的溫差大一些，一般采用70℃左右的高溫水來滿足實驗要求。

6、將系統(tǒng)i與系統(tǒng)ii混合有很多種方案，但是不管是哪一種方案，都需要首先測出系統(tǒng)i與系統(tǒng)ii的初始溫度t1與t2，然后再混合，但是在混合過程中由于需要較長時間打開量熱器的蓋子，系統(tǒng)i或系統(tǒng)ii中的高溫物質(zhì)會向環(huán)境散失熱量，因改變了初始溫度而使得測量結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差。以向量熱器內(nèi)投入金屬塊為例，有下列兩種情況：

7、(1)如果采用的方案是：量熱器內(nèi)部是高溫水，其初始溫度測定后，需要打開量熱器蓋子投入金屬塊，再蓋好量熱器蓋測平衡后的溫度，因為筒蓋4上還帶有攪拌器5及溫度計等構(gòu)件，有的量熱器筒蓋還需要較為準(zhǔn)確的與量熱器的內(nèi)筒外筒對準(zhǔn)才能蓋嚴(yán)，加上夾取金屬塊并投入需要的時間，所以這一過程需要較長的時間來完成，量熱器系統(tǒng)內(nèi)的高溫在打開量熱器蓋的期間內(nèi)有大量的熱量散失在空間，使得系統(tǒng)的初始溫度已經(jīng)發(fā)生較大的變化，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。

8、(2)如果采用的方案是：量熱器內(nèi)部是低溫水，需要打開量熱器蓋子，投入高溫的金屬塊，再蓋好量熱器蓋測平衡后的溫度，存在的問題一是金屬塊的初溫難以測得，一般放在高溫水中加熱后測得高溫水的溫度即代表金屬塊的初始溫度，但是轉(zhuǎn)移高溫金屬塊需要時間，一是高溫金屬塊散熱極快(金屬塊屬于瞬時平衡的材料)，從高溫水中取出后迅速降溫，投入量熱器后其初始溫度已經(jīng)發(fā)生較大變化，二是金屬塊上所攜帶的高溫水較多，也對實驗結(jié)果產(chǎn)生極大影響，實驗證明，這種實驗方案產(chǎn)生的誤差最大。

9、實踐證明，由于金屬塊投入到量熱器內(nèi)部后，在極短的瞬間達(dá)到熱平衡完成實驗，如果操作正確，量熱器在在其它環(huán)節(jié)與環(huán)境產(chǎn)生的熱交換非常小，甚至可以忽略。所以要想實驗成功，一是要盡量縮短量熱器蓋完全打開的時間，盡量減少高溫系統(tǒng)向環(huán)境散失熱量的時間，二是混合量熱時要盡量減小量熱器系統(tǒng)開放時的散熱面積，但是現(xiàn)有的實驗方法已經(jīng)無法滿足這樣的要求了。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服背景技術(shù)中量熱器的不足，對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，提供一種不用打開量熱器筒蓋4，并能迅速完成向量熱器內(nèi)注入高溫或低溫水，極大減少高溫系統(tǒng)向環(huán)境散失熱量的精確測量金屬比熱容的實驗方法。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、一種注入式精確測量金屬比熱容的實驗方法如圖1所示；

4、選取量熱器本體，在量熱器本體的筒蓋4上設(shè)置用于向量熱器本體內(nèi)注入液體的注入機(jī)構(gòu)；

5、所述的量熱器本體包括內(nèi)筒1與外筒2均為金屬制成的底端封閉的圓筒，內(nèi)筒1與外筒2上沿向外制成圓弧形，內(nèi)筒1通過絕熱墊3置于外筒2內(nèi)的底部，內(nèi)筒1與外筒2之間留有均勻的間隙。

6、所述的筒蓋4為用工程塑料制成的階梯形圓柱體，筒蓋4的上部為直徑較大圓柱體，其階梯部分的下端面扣在外筒2的上沿，下部為直徑較小的圓柱體，小圓柱體的下端面覆蓋在內(nèi)筒1的上沿上，筒蓋4上設(shè)有攪拌器孔10，在與攪拌器孔10相對的筒蓋4上設(shè)有向量熱器本體的內(nèi)筒1內(nèi)部注入液體的注入機(jī)構(gòu)；

7、所述的注入機(jī)構(gòu)為在筒蓋4上加工有圓柱孔41，圓柱孔41還需處于內(nèi)筒1所對應(yīng)的筒蓋4的范圍內(nèi)，圓柱孔41的旁側(cè)加工有方形槽42；

8、所述的圓柱孔41將量熱器本體的內(nèi)筒1的空間與筒蓋4外部的空間相連通；

9、所述的圓柱孔41直徑為10-15mm，圓柱孔41上蓋有膠塞8，膠塞8將量熱器本體的內(nèi)筒1的空間與筒蓋4外部的空間相互隔絕；

10、所述的膠塞8為圓臺體形狀，圓臺體的上端面通過連接片81與膠塞座82連接在一起，膠塞座82嵌入到筒蓋4上的方形槽42內(nèi)，并與方形槽42固定粘接，且連接片81高出筒蓋4的上平面，膠塞8打開時，在連接片81的彈性力作用下自動樹立在膠塞座82的上方，不會遮擋圓柱孔41。

11、所述的注入機(jī)構(gòu)還包括注水筒11；所述的注水筒11為容量300ml的圓柱形水筒，筒身上帶有刻度13，筒身底部帶有筒嘴14，筒嘴14上蒙上薄膜15，筒身上側(cè)帶有手柄16；

12、所述的注水筒11采用能耐受較高溫度的塑料材料制成，薄膜15采用具有良好彈性、耐受較高溫度的橡膠材料制成。

13、所述的膠塞8、連接片81及膠塞座82均用彈性良好的橡膠材料制成一體。

14、所述的一種注入式精確測量金屬比熱容的實驗方法，還需備有待測金屬9。

15、采用上述實驗裝置的實驗方法是：

16、1、量熱器內(nèi)部是高溫水加待測金屬9作為高溫系統(tǒng)i

17、(1)第一次測質(zhì)量：實驗前分別測量內(nèi)筒1、攪拌器5、內(nèi)筒1+高溫水、待測金屬9的質(zhì)量；

18、(2)向量熱器內(nèi)加入高溫水及待測金屬9，用攪拌器5輕輕攪拌后，測得其平衡后的高溫系統(tǒng)的初始溫度t1，t1數(shù)值應(yīng)為70℃左右；

19、(3)其初始溫度測定后，需要向量熱器內(nèi)加入低溫水，即低溫系統(tǒng)ii的初始溫度為t2，方法是，打開膠塞8后，用注水筒11通過圓柱孔41向內(nèi)筒1注入適量的室溫水，然后迅速壓下膠塞8，將系統(tǒng)封閉，在顯示器6上讀出系統(tǒng)平衡后的終溫t3；

20、用注水筒11向內(nèi)筒1注入室溫水的方法是：用薄膜15蒙住并蒙緊筒嘴14，向注水筒11內(nèi)加入適量的室溫水，并用溫度計監(jiān)測水溫，然后將筒嘴14探入圓柱孔41，用長竹簽17刺破薄膜15，注水筒11內(nèi)的室溫水注入內(nèi)筒1；

21、(4)第二次測質(zhì)量：實驗操作完成后測量內(nèi)筒1+攪拌器5+待測金屬9+高溫水+低溫水的質(zhì)量，計算后可以獲得低溫水的質(zhì)量；

22、(5)計算相關(guān)物質(zhì)的質(zhì)量的熱容ci、cii，其中ci中包含未知量待測金屬9的比熱容；

23、(6)將所有已知量帶入熱平衡方程<1>，即可算出待測金屬9的比熱容；

24、2、量熱器內(nèi)部是低溫待測金屬9或低溫待測金屬9加低溫水作為低溫系統(tǒng)ii

25、(1)第一次測質(zhì)量：實驗前分別測量內(nèi)筒1、攪拌器5、內(nèi)筒1+低溫水、待測金屬9的質(zhì)量；

26、(2)內(nèi)筒1中只有待測金屬9，可以直接設(shè)定為室溫，即是系統(tǒng)ii的初溫t2；如果內(nèi)筒1中是低溫的待測金屬9加水，可以通過傳感器7及顯示器6測出系統(tǒng)的初始平衡溫度t2；

27、(3)用注水筒11通過圓柱孔41向內(nèi)筒1注入適量的溫度為t1高溫水，然后迅速壓下膠塞8，將系統(tǒng)封閉，在顯示器6上讀出系統(tǒng)平衡后的終溫t3；

28、用注水筒11向內(nèi)筒1注入高溫水的方法是：用薄膜15蒙住并蒙緊筒嘴14，將注水筒11置入裝有高溫水的容器內(nèi)，并向注水筒11內(nèi)加入適量的高溫水，用溫度計監(jiān)測水溫，保持溫度為t1，需要向內(nèi)筒1注水時，將筒嘴14探入圓柱孔41內(nèi)，用長竹簽17刺破薄膜15，薄膜15破裂后迅速收縮在筒嘴14的邊緣上，注水筒11內(nèi)的高溫水迅速注入內(nèi)筒1；

29、(4)第二次測質(zhì)量：實驗完成后測量內(nèi)筒1+攪拌器5+待測金屬9+水(包括高溫水與低溫水)的質(zhì)量，通過計算即可獲得高溫水的質(zhì)量，如果混合前內(nèi)筒1中只有待測金屬9沒有低溫水，則實驗完成后測得的水的質(zhì)量全部是高溫水的質(zhì)量；

30、(5)計算相關(guān)物質(zhì)的質(zhì)量的熱容ci、cii，其中cii中包含未知量待測金屬9的比熱容；

31、(6)將所有已知量帶入熱平衡方程<1>，即可計算出待測金屬9的比熱容；

32、由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供的一種注入式精確測量金屬比熱容的實驗方法的有益效果是，克服了背景技術(shù)中的困難：(1)當(dāng)需要向量熱器本體內(nèi)部加入高溫水或低溫水時，只需將注入機(jī)構(gòu)的膠塞8打開，用內(nèi)部裝有一定溫度和一定量水的注水筒11通過圓柱孔41注入量熱器本體的內(nèi)筒1中即可，不用打開量熱器的筒蓋4，只是圓柱孔41將內(nèi)筒1與外界環(huán)境相連通，避免了內(nèi)筒1中的高溫水或注水筒11中的高溫水在在注入內(nèi)筒1過程中，很大范圍內(nèi)與環(huán)境接觸，產(chǎn)生較大的熱量損失。更是避免了傳統(tǒng)實驗方法中需要完全打開量熱器筒蓋4后倒入高溫水，導(dǎo)致流動翻滾的高溫水迅速向環(huán)境散熱的現(xiàn)象；(2)用手打開膠塞8，在連接片81的彈性力作用下膠塞8自動樹立在膠塞座82的上方，不會遮擋圓柱孔41，方便注水筒向內(nèi)筒1注入液體，完成操作后，直接用手按壓膠塞8即可將圓柱孔41塞住，在極短的時間內(nèi)完成向量熱器內(nèi)加注液體的操作，極大的減少開放量熱器系統(tǒng)的時間。所以該實驗方法極大減少了系統(tǒng)混合過程中向環(huán)境的散熱面積，又極大的減少量熱器系統(tǒng)與外界產(chǎn)生熱交換的時間，極大提高了測量結(jié)果的精確度。