电热法测热功当量综述

林嘉圳

摘 要：用电热法测定热功当量是普通物理学的一个热学实验，是使学生认识热的本质的重要实验之一。热功当量，是热量以卡为单位与功的单位的转换量度，由焦耳首先用实验测定，其数值为4.18焦耳每卡。热功当量的发现，使当时的人们更好地理解了热的本质，也说明了卡路里与焦耳为相当量而非相等。自国际单位统一热量单位为焦耳后，热功当量也就不复存在。但其实验测定及数据对于物理学的发展的意义永远存在。本文也进一步分析和探讨了热功当量的测量方法、误差分析和实验改进。

关键词：电热法;热功当量;误差分析;实验改进

1热功当量的测量方法

在一百多年来的发展中，人们发明了很多测量热功当量的方法，下面简单介绍几种。

1.1.摩擦生热法

摩擦生热法因摩擦物质状态不同可分为液体摩擦生热和固体摩擦生热两种思路。其中液体摩擦生热是应用最多，也是焦耳测定热功当量所用，按此思路可获得多种测定热功当量的方法，下面就以焦耳的实验方法为例。

图1即为焦耳测定热功当量的实验装置简图，其原理是用重物下落去带动许多叶片转动 ，这些叶片搅动水摩擦产生热量使水温升高。[1]图中量热桶外壁是一个隔热性能较好的筒壁，随着重物的下落，叶片不断搅拌水，与水发生摩擦导致水升温。由水升高的温度可计算出水获得的热量，单位为卡;由重物下降可计算出其减少的重力势能，从而得到叶片对水做的功，进而得到热功当量的数值。即：

1.2终温法

1.3电热法

随着科技的发展，人们慢慢地采用了一种误差更小、测量更精准的方法，这种方法就是电热法。我们的综述也主要围绕这一方法展开。

如图即为电热法的实验原理简图。图中直流稳压电源连接一根浸入水中电阻丝，电阻丝加热使水升温，从而计算得出热功当量。我们知道，在一个体系中，在体系温度不变的情况下，对系统输入一定量的电功率，使系统得到的电功与系统对外界放出的热量相等。[2]即满足：

公式（1）中分数线上单位为焦耳，分数线下单位为卡，因而得到热功当量J，单位J/Cal

2实验概述

本实验是通过电热法测量热功当量，下面我们着重介绍一下该实验的注意事项及不足之处。

实验原理在上面已经介绍过，就不再重新介绍。下面简要介绍一下这个实验的实验步骤。

（1）测量隔热桶内壁的质量，装入一定量的水。

（2）将一个装满水的隔热桶，于串联电阻丝的闭合回路组装在一起。

（3）插入温度计，测量水的初始温度。（注意温度计不要触碰到量热计底部）。

（4）闭合电键，记下电流表和电压表的数值。

（5）边加热边用玻璃搅拌器搅拌，加热一段时间后，断开开关，放置一会后待温度计示数稳定后读数并记下。

（6）计算得出热功当量的数值。

（7）拆除器械。

以上便是该实验的步骤及其注意事项，但实验的系统误差及偶然误差很难避免，因此没有完美的实验，依旧存在不足之处。

（1）物体在加热的过程中由于温度存在于外界的温度差会存在于外界的热量交换，这部分热量很难被测量出来，因此会影响实验数值的精确度。

（2）电流做功由电阻丝通电发热来实现，使用中发现电阻丝与两个铜金属棒的连接处由于接触电阻大，发热多，加上金属棒与电阻丝在高温水浴中容易氧化，所以金属棒与电阻丝经常接触不良，接触电阻大，实验中电阻丝容易被烧断，由于金属棒生锈导致更换电阻丝很困难[3]。

（3）在加温水的过程中，系统传热不均匀. 加热快或搅拌慢了，量热器内的水上热下凉，温度计测得的是高温层的水温，引起计算结果偏小，加热慢了或搅拌过快，搅拌器对水作的功和量热器散热引起计算结果偏大，同时容易引起电极短路[3]。

3误差分析

我们知道，由于各种因素的影响，只要能把误差控制在百分之5以内就结果就已经很接近真实值，此时就可以看作是一次成功的实验。那么，实验误差是从哪里产生的呢？

（1）实验装置并非完全隔热，水依然于外界存在间接或直接的热量交换。

（2）在加热过程中搅拌的不均匀导致局部升温过高或过低。

（3）搅拌中玻璃搅拌器与水摩擦导致水升温。

（4）在测量过程中读数时由于分度值影响存在不可避免的误差。

为了尽可能减小误差，使实验结果接近真实值，我们需要对实验进行改进。

4实验改进

对于该实验的改进有多种方法，最常见的是对最终温度的散热修正。下面简要说明散热修正的原理及方法。

散热修正是利用牛顿冷却定律，讲最终温度通过计算画出图像并讲最终数值修正的改进方法。步骤如下：

（1）通过测量得出其冷却速率的曲线。

（2）将该曲线与其升温曲线相结合，在时间相同的情况下，画出其反向延长线至规定时间的一半，此时对应温度即修正后的真正终温。

除此之外，温度补偿法和线性回归法也对散热修正的方法进行了改进[4]，也有将DIS与该实验相结合的方法[5]，这里就不一一展开。总之，凡是能减小误差的方法，都能应用于实验的改进。

参考文献

[1]秦祝浩.关于热功当量测定的实验[J].物理通报，1958（05）：308-311.

[2]任亚杰.热功当量的实验研究[J].忻州师范学院学报，2003（02）：62-63+66.

[3]代伟，李骏，陈太红，兰小刚.电热法测热功当量实验的改进[J].西华师范大学学报（自然科学版），2011，32（01）：95-98.DOI：10.16246/j.issn.1673-5072.2011. 01.014.

[4]何建勋，唐芳.电热法测热功当量实验数据处理方法[J].物理实验，2018，38（10）：54-58.DOI：10.19655/j.cnki.1005-4642.2018.10.013.

[5]董琳，倪敏，王歌，趙彩安，顾锋.浅谈热功当量实验与DIS的整合[J].物理通报，2018（08）：83-86.