学生物理实验
报告
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实验名称 气体比热容比的测定
学 院 专 业 班 级
报告人 学 号
同组人 学 号
同组人 学 号
同组人 学 号
理论课任课教师
实验课指导教师
实 验 日 期
报 告 日 期
实 验 成 绩
批 改 日 期
实验目的
? 测定空气分子的定压比热容与定容比热容之比。
实验仪器
? DH 4602气体比热气体比热容比测定仪
? 支撑架
? 密玻璃容器
? 气泵
? 计时器
实验原理
气体的定压比热容CP与定容比热容CV之比
。在热力学过程特别是绝热过程中是一个很重要的参数,测定的方法有好多种。这里介绍一种较新颖的方法,通过测定物体在特定容器中的振动周期来计算
值。实验基本装置如图10-1所示,振动物体小球的直径比玻璃管直径仅小0.01~0.02mm。它能在此精密的玻璃管中上下移动,在瓶子的壁上有一小口,并插入一根细管,通过它各种气体可以注入到烧瓶中。
钢球A的质量为m,半径为r(直径为d),当瓶子内压力P满足下面条件时钢球A处于力平衡状态。这时
,式中PL为大气压力。为了补偿由于空气阻尼引起振动物体A振幅的衰减,通过C管一直注入一个小气压的气流,在精密玻璃管B的中央开设有一个小孔。当振动物体A处于小孔下方的半个振动周期时,注入气体使容器的内压力增大,引起物体A向上移动,而当物体A处于小孔上方的半个振动周期时,容器内的气体将通过小孔流出,使物体下沉。以后重复上述过程,只要适当控制注入气体的流量,物体A能在玻璃管B的小孔上下作简谐振动,振动周期可利用光电计时装置来测得。
若物体偏离平衡位置一个较小距离x,则容器内的压力变化Δp,物体的运动方程为:
(10-1)
因为物体振动过程相当快,所以可以看作绝热过程,绝热方程
(10-2)
将(10-2)式求导数得出:
,
(10-3)
将(10-3)式代入(10-1)式得
此式即为熟知的简谐振动方程,它的解为
(10-4)
式中各量均可方便测得,因而可算出
值。由气体运动论可以知道,
值与气体分子的自由度数有关,对单原子气体(如氩)只有三个平均自由度,双原子气体(如氢)除上述3个平均自由度外还有2个转动自由度。对多原子气体,则具有3个转动自由度,比热容比
与自由度f的关系为
。 理论上得出:
单原子气体(Ar,He) f=3
双原子气体(N2,H2,O2) f=5
多原子气体(CO2,CH4) f=6
且与温度无关。
本实验装置主要系玻璃制成,且对玻璃管的要求特别高,振动物体的直径仅比玻璃管内径小0.01mm左右,因此振动物体表面不允许擦伤。平时它停留在玻璃管的下方(用弹簧托住)。若要将其取出,只需在它振动时,用手指将玻璃管壁上的小孔堵住,稍稍加大气流量物体便会上浮到管子上方开口处,就可以方便地取出,或将此管由瓶上取下,将球倒出来。
振动周期采用可预置测量次数的数字计时仪(分50次,100次二档),采用重复多次测量。
振动物体直径采用螺旋测微计测出,质量用物理天平称量,烧瓶容积由实验室给出,大气压力由气压表自行读出,并换算N/m2
。
实验步骤
? 接通电源,调节气泵上气量调节旋钮,使小球在玻璃管中以小孔为中心上下振动注意,气流过大或过小会造成钢珠不以玻璃管上小孔为中心的上下振动,调节时需要用手当住玻璃管上方,以免气流过大将小球冲出管外造成钢珠或瓶子损坏。
? 打开周期计时装置,次数设置为50次,按下执行按钮后即可自动记录振动50次周期所需的时间。
? 若不计时或不停止计时,可能是光电门位置放置不正确,造成钢珠上下振动时未挡光,或者是外界光线过强,此时须适当挡光。
? 重复以上步骤五次(本实验仪器体积约为200ml)。
? 用螺旋测微计和物理天平分别测出钢珠的直径d和质量m,其中直径重复测量五次。
实验数据与结果
? 需测定的值有:钢珠质量m,钢珠做简谐运动的周期T,钢珠的直径d。
? 可知,密玻璃容器的体积V为2450ml。
一
二
三
四
五
平均
钢珠质量m/g
11.4
11.4
11.4
11.4
11.4
11.4
周期T
0.581
0.582
0.582
0.5815
0.582
0.59185
直径d/mm
13.990
13.989
13.991
13.990
13.992
13.990
= 1.398
实验结果分析
空气的比热容比约为1.398,与双原子气体(N2,H2,O2) f=5
接近。
教师评语