对液体温度计和气体温度计的原理的讨论

王娟 刘卫华

【摘要】初中物理学科实验性较强.为了落实新课标精神，培养物理学科核心素养，提升学习物理的能力，需要注重实验教学，掌握实验操作的方法，培养学生动手和动脑的能力.

【关键词】温度计；热胀冷缩；热平衡

1液体温度计

首先对于液体温度计，它的原理是：测温液体的热胀冷缩.玻璃泡内所装的液体受到温度的影响，体积膨胀，就会使管内液柱的长度发生明显的变化.

1.1原理分析

当被测物体温度为t1时，液体吸，热体积膨胀，达到热平衡时，玻璃泡里的液体液面到达位置A，此时体积为V1；当被测物体温度为t2时，液体吸热膨胀，达到热平衡时，玻璃泡里的液体液面到达位置B，体积为V2.假设玻璃管内径截面积为S，则有Δh=ΔVS=V2－V1S，水银的体积膨胀系数受温度的影响较小，在较大的范围内可认为是不随温度的改变而改变，则等分刻度后产生的误差较小.

1.2公式分析

可以看出，液面高度的变化Δh与温度的变化成正比，所以液体温度计的刻度特点是由下往上，数值由小到大，且刻度分布均匀.

要提高温度计的精确度，即在Δt不变的前提下，增大Δh首先是增大ΔV即增大玻璃泡的容积，其次选择比热容较小的液体，如水银（热导率大、比热容小，和外界发生热传递后很快可以达到平衡）；第三是减小S，即玻璃管的内径做得更细.

1.3典例分析

例题甲乙两支煤油温度计，玻璃泡容积相同，甲的内径为6.2mm，乙的内径为6mm，现用这两支温度计分别去测量同一杯温水的温度，则情况是（）

（A）甲乙上升高度一样且两支温度计的示数相同

（B）乙温度计内液柱升得高，且示数也大

（C）甲温度计内液柱升得高，且示数也大

（D）乙温度计内液柱升得高，但甲乙的示数相同

分析同一杯热水则温度计的示数应相同．

解析由于同一个物体的温度是定值，两支温度计的示数应相同.

因为玻璃泡的容积相等且都是煤油，故液体受热后膨胀程度相同，即增大了相同的ΔV，根据Δh=ΔVS可知：内径S越小，温度计内液柱上升得越高.答案选（D）．

变式1有两支待标定的液体温度计，内径相同，甲的玻璃泡容积大，如果要标定一个精确度更高的温度计，下列说法正确的是（）

（A）选择甲，因为甲的膨胀更大，液面上升的高度更高

（B）选择乙，因为乙的膨胀更大，液面上升的高度更高

（C）选择甲乙都一样，因为液体的膨胀相同，液面上升的高度相同

（D）无法确定

分析液体升高相同的温度，膨胀得越大，液体的体积越大，液面上升的高度越高.

解析当甲乙两支温度计升高相同的温度时，由于甲的玻璃泡容积大，液体膨胀的体积更大，根据Δh=ΔVS，则液面上升的高度更高.可以提高温度计的精确度，即提高温度计的分度值.所以选甲.答案为（A）.

变式2现有两支分度值相同、玻璃泡的容积相同的水银体温计，甲的内径大于乙.用它们来给物体测温时，情况是（）

（A）甲更准确

（B）乙更确度

（C）甲乙的准确度一样高

（D）无法确定

分析准确度与分度值大小有关.

解析温度计内装有等容积的水银，故升高相同温度时，膨胀的体积ΔV相同．由：Δh=ΔVS ，则内径大的温度计的液柱高度小，但内径大的温度计的刻度分布更密．但由于此时分度值相同，即精确度相同，则用它们测同一物体的温度，准确度相同.答案选（C）.

2气体温度计

分析伽利略的温度计，它的原理是气体的热胀冷缩性质，但由于玻璃泡的容积比玻璃管的容积大得多，可忽略不计，故可以把封闭气体随着温度的变化看作是等容过程.则本质上气体温度计是根据气体的压强随温度的变化来制成的.

2.1原理分析

当环境温度为t1时，且封闭气体吸热膨胀达到热平衡时，玻璃泡里的液体液面到达位置A，此时玻璃泡里气体压强为p1；当环境温度为t2时，封闭气体达到热平衡时，液体液面位置为B，玻璃泡里气体压强为p2.假设外面大气压强为p0，则有p0=p1+ρghA，p0=p2+ρghB，Δp=p2－p1=ρgΔh.

查理定律一定质量的某种气体，在体积不变的情况下，压强p与热力学温度T成正比.写成等式就是p=CT，所以有p1=CT1，p2=CT2，

Δp=p2－p1=CΔT=CΔt，所以有ρgΔh=CΔt，ρΔh=CΔtg=kΔt.

2.2公式分析

液面高度的变化在数值上与温度的变化成正比.只是温度升高，液面下降，所以气体温度计的刻度特点是由下往上，数值变小，且刻度是均匀的.

分析公式可知提高温度计的精确度，即在Δt不变的前提下，可以减小液体的密度、增大玻璃球的容积和减小玻璃管内径等方法.

2.3仪器缺点

由于气体温度计下端是与大气相通，玻璃管中的液面位置不僅受到球体内空气温度的影响，还会受到大气压强的影响．因此这种温度计的缺点是管中液柱的升降变化还受到大气压变化的影响，所以误差较大，甚至有可能使管内液面低于管外液面；还有此温度计体积较大，携带不方便.

3结语

本文通过分析比较液体温度计和气体温度计的测温原理，加深了学生对各种温度计知识的认识，便于展开丰富多彩的自制温度计的学生实验器具活动.

参考文献：

[1]洪安生.用水银制作液体温度计是因为水银的比热小吗？[J].物理通报，2002（08）：31-32.

[2]罗倩，张皓晶.用温度计测量酒精的体积膨胀系数[J].物理实验，2020，40（09）：61-63.