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1、力学测量和热学测量 中国科学技术大学 轩植华,物理学是研究物质运动、物质结构和性质的科学，是最重要和最基本的自然科学。 研究的主要途径就是实验，实验的主要 手段是测量。所谓测量，就是将待测物的某特性与被选作标准的某物的某个特性做比较。,伽利略开创了物理学，是力学测量的集大成者,1，用一个V型木槽和木球做斜面运动 实验，用水桶漏水量计量时间，测量加速度并推算重力加速度。 2，用外推法和逻辑法得到惯性定律。 3，注意到单摆的等时性。 4，改进望远镜并观察月亮。 5，发明和改进秤（杠杆法）。,细观察，巧实验，勤思考， 善推理，精演算,傅科在教堂中发现悬吊的灯摆动的面并非严格的平面，这个面缓慢但不断地
2、旋转，灯绳长短不同，旋转周期不同；纬度不同，周期也不同，在北极旋转周期为24小时。 望远镜是荷兰的一个眼镜店学徒先发现，伽利略解释并改进。,一 力学测量,确定物体的位置、长度、速度、加速度、运动轨迹等属于运动学测量； 而了解物体运动与质量和力关系，属于动力学范畴； 描述硬度、黏性、杨氏模量、表面张力系数等物质特性，属物性研究。,这些测量又与质量、时间等物理量密切相关。 用仪器测量力学量的量限向两端延伸： 质量跨15个量级； 力值跨16个量级； 压强跨14个量级。,测量方式由静态测量到动态测量，在变化过程中实时测量，广泛使用各种传感器。 在我们的实验课程中也学习传感器测量较小的物理量。,而对于天
3、体位置、距离以及运动 的测量，则根据它们的运动规律 以及光谱进行间接测量。 对物质微观粒子力学性质的测 量，要用到光学、电磁学、原 子以及核物理等手段进行间接 测量。,力学测量中涉及到杠杆原理（如天平实验） 阿基米德定律（流体静力秤测量密度） 胡克定律（弹簧测量液体表面张力）,光线反射和折射定律（光杠杆测量 杨氏模量） 干涉或衍射（牛顿环测量透镜曲率半径， 测量细丝或狭缝宽度） 多普勒效应（测量速度和加速度） 压电效应（应用传感器制作电子秤）等。,要确定速度等力学量，还必须测量时间。 从古代的日晷、沙漏， 到以摆动的等时性为基础的机械式钟表， 到晶体震荡为基础的石英钟， 一直到原子钟，时间测量
4、的精度大大提 高了。,在我们的物理实验课中，涉及速度、 加速度的有气垫导轨、单摆或物理摆、 多普勒效应等实验，测量声速的实验； 还有测量密度、杨氏模量、粘滞性、 表面张力等涉及物质性质的实验； 应用传感器测量质量、微小形变等。,光速已经是长度单位米的定义,原始的米原器长度受温度影响，不易复制 1960年定义米的长度为氪-86的2p10和5ds 能级之间跃迁的辐射在真空中波长的 1 650 763.73倍。 现在定义米的长度为光在真空中 （1/299 792 458）秒时间间隔内所经路径 的长度。,强度调制光的干涉法测量光速,将发光二极管的红光的强度调制为50MHz的微波信号； 然后用分束镜将光
5、分为两束，一束光的强度调制信号输入双踪示波器的X端，另一束出射到空气中并经过可移动反射镜反射回仪器内，将它的强度调制信号输入到示波器的Y端。,两个互相垂直的同频率振动合成为李萨如图（一般为椭圆、圆或直线）； 通过初始条件旋纽，使李萨如图形为一直线； 改变反射镜位置，李萨如图形将逐渐成椭圆，其椭圆度和方位角也不断变化；,当图形再次成为直线（从一三象限变为二四象限），光线在仪器外移动了调制信号的半个波长，即反射镜移动了四分之一波长。测量移动的距离； 波长与频率的乘积为光速。 此法可得到四位有效数字。,用电阻应变片制作电子秤,传感器的性质和应用,金属箔电阻应变片贴牢在悬臂梁上下表面，悬臂梁远端加砝码
6、使它弯曲，上表面受到拉伸，下表面受到压缩。 所以上表面电阻阻值变大，下表面电阻阻值变小。,1 敏感栅 2 引线 3 粘结剂 4 盖层 5 基底,分别将一个、两个或四个电阻应变片与固定电阻组成电桥（所谓单臂、半桥或全桥），以电压表为平衡检测器。 未加砝码时，调节电桥平衡，输出电压为零。随着负载增加，电桥不平衡性加大，电压表读数越大。,未加砝码时，调节电桥平衡，输出电压为零。随着负载增加，电桥不平衡性加大，电压表读数越大。做M-U图，是线性关系。 测量未知质量，从非平衡电压值得到质量。 大质量测量常常采用这类传感器。,二 热学测量,18世纪末到19世纪的一百年左 右，以蒸汽机的发明和使用为 标志的
7、第一次工业革命极大地 促进了热（力）学的发展。,经过几十年的科学实验，特别是 精确地测量了热功当量，人们认识 到机械能、化学能、热能和电磁能 （后来还有原子能和核能）之间是 可以相互转化的，在转换过程中总 量守恒。,这就是热力学第一定律。 人类认识到能量转换和守恒定律，其中焦耳的贡献是最大的。 对热力学发展做出巨大贡献的还有卡诺、迈耶、亥姆霍兹、W.汤姆孙（开尔文勋爵）、克劳修斯、吉布斯、恩斯特等人。,人类的生产、生活以及 科学研究活动都证实了这是自然界 中最根本的规律。 热力学第二定律还指出了宇宙中一 切宏观过程发展变化的方向，也即 时间只能从过去到现在，再到将来 的方向。,如果发现有不符合
8、这些定律的数据或现象， 一定是实验做错了或者是有待发现新的物 质形式或新的相互作用。这是无数实践证实 了的 ，也将指导人类今后的活动。 不消耗能量的第一类永动机或从单一 能源获取能量的第二类 永动机是造不出来的。,在改进热机，提高热机效率的 实践中人们又逐渐认识到， 热机效率不可能到达百分之百。 这又导致热力学第二定律的建立。,即一切宏观过程都是不可逆的。热力学箭头和时间箭头是一致的。,但是在微观世界中，无论是经典力学还是量子力学，运动方程都是时间对称的，即所有变化都可能反方向进行，过程是可逆的。,如果摔碎的水杯恢复原貌，洒到地上的水聚拢起来，水杯又升高回到桌上，不会违反任何力学公式。 从实践
9、中，我们知道这是不可能的。 这是物理学和哲学的有意义和有趣的问题。,在蒸汽机时代，由于科学发展的 局限，人们认为有一种无质量的物质 热质可以自由地从高温物体 迁移到低温物体，并在此“热质说” 的基础上建立了量热学、传热学。,现代科学虽然否定了热质说， 然而由于量热学、传热学等 是建立在实验基础之上的， 能有效地描述宏观热现象。 后人仍然沿用“热量”、“热流” 等术语.,温度是描述物体冷热程度的 物理量,它是物质微观粒子无 规则运动动能大小的标志. 热学测量的关键是对温度的 测量.,在生产和生活中广泛使用摄氏温标,在物理学研究上使用 热力学温标。 热力学温标与压强趋于零时 的理想气体温标是一致的
10、。,温度的测量分为直接测量和间 接测量.所谓直接测量,指测温 元件与被测对象直接接触. 常用玻璃液体温度计,金属电阻 温度计,热电偶,气体温度计等.,间接测量是根据被测物辐射的亮度,颜色和光谱等特性,非接触地测量温度 （如恒星.温度的测量，炼钢炉内温度的测量等）,热力学量是物体微观态的宏观表 征。 热学量（如汽化热、熔解热、沸点 、凝固点等的测量）与物态变化（相变）密切相关。 所以热学测量对于研究物体 的微观世界也有重要意义。,在我们的实验课中，要测量比热容、汽化热、熔解热、导热系数、气体的比热容比等，还有测量电阻的温度系数并制作半导体温度计等实验。 也有根据光谱特性测量黑体辐射温度的实验。,
11、测温元件有液体玻璃温度计、热电偶、半导体温度传感器、电阻温度计等。 实例： 不良导体导热系数的测量 橡胶、木材、泡沫塑料等热的 不良导体，用于各种隔热装置,当物体内存在温度梯度时，就有热量从高温出传递到低温处。在单位时间内通过面积的热量正比于温度梯度,负号表示热量从高温流向低温，就是导热系数。式中是传热速率， 是不容易测量的量。,我们把单侧表面积为S、厚度为h的圆形 薄板B两面的温度维持在稳定的T1和 T2 （T1 T2）。薄板的上表面与传热筒的 底部（T1）密切接触，下表面与一个散 热黄铜盘A（T2）密切接触（它们侧面各 有小孔，热电偶插入其中测量温度）。,在稳定传热条件下，可认为薄板传热速
12、率与铜盘向环境的散热速率相等。,因此可通过铜盘在稳定的T2附近的散热速率求出薄板的传热速率。装置如图。以下设法求出铜盘在T2附近的散热速率。,将热电偶插入筒底部侧面的小孔以及通盘侧面的小孔，另一端插入杜瓦瓶中的冰水混合物中。,将样品夹在传热筒底与铜盘A之间，使两面接触良好 。,用调压器调节红外线灯加热器电压，每2分钟记录传热筒底部的温度T1和铜盘温度T2。若10分钟内T1和 T2基本不变，记录它们。,移去样品，让A盘直接与传热器筒底接触，加热A盘，使之温度比T2高10度左右，断开电源，移去传热筒，让铜盘自然冷却，每隔30秒记录一次温度。,选择T2附近前后的10个数据，用作图法、逐差法或回归法计算出A盘的冷却速率 用公式计算散热速率从而得到导热系数,