热对流实验报告.docx
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热对流实验报告
由探究电热水壶的加热线圈的位置引发的热对流
实验报告
报告人:
初二(6)班
问题:
家用电热水壶的加热线圈的位置在什么地方,又为什么在这个部位?
思考与假设:
经过观察,我发现加热线圈都在水壶的底部。
为什么不在水壶的两旁呢,首先加热线圈可以将电能转化为内能,而内能又可以通过热传导传递到水,对水进行加热,可见加热线圈的位置必然与热量在水中的传递有关,而在水中的热传递通常是以热对流的方式进行的。
这样我做出了猜想,在底部加热,水的下部和上部发生对流现象,在4℃-100℃之间,冷水密度比热水密度大,加热过程中,底部热水不断上升,冷水下降形成循环,将水烧开。
为了证明我的猜想必须通过实验验证。
制定计划和设计实验:
器材:
底部为金属的烧杯,杯左边有金属的烧杯,量程合适的温度计,酒精灯,水,秒表
实验步骤:
1.用酒精灯加热底部为金属的烧杯,过1分钟用温度计同时测出底部与顶部的的温度数值为
再过1分钟同时测出底部与顶部的的温度数值为
,
,依次类推,直到烧开,计时为
。
2.用酒精灯加热左边为金属的烧杯,过1分钟用温度计同时测出底部与顶部的的温度数值为
,再过1分钟同时测出底部与顶部的的温度数值为
,
,依次类推,直到烧开,计时为
。
3.比较测出的各组温度之差,
与
的大小。
4.我对实验的猜测,上部的温度应该会比下部的温度高一些,
用时短。
讨论与改进实验方案:
经过讨论,发现方案仍有不足之处:
1.不用放置金属块,只需讨论水内部的热量传递,可以直接加热容器。
2.
使用烧杯,则温度计不好放置,导致实验不精确,于是,改为一个两端均插有温度计的试管(双温度计试管),如图1,为防止水受热膨胀,撑破试管,不能使其完全封闭,应加一个与外界联通的玻璃管,而也不需加热至沸腾,为防止时间过长,观察实验数据就可得出结论。
图1(双温度计试管结构示意图)
3.因为实验器材的改变,所以对照实验由从左部加热改为从中部和上部分别加热
4.由于水量较少,为更清楚地看清温度的变化,一分钟计时1次改为0.5分钟计时一次
所以试验计划改为
器材:
双温度计试管,量程合适的温度计,酒精灯,水,秒表
实验步骤:
1.用酒精灯加热双温度计试管底部,过0.5分钟读出底部与顶部的的温度计示数为
再过0.5分钟读出底部与顶部的的温度计示数为
,
,以此类推,9分钟后。
2.如底部实验,再做加热中部以及上部的实验
3.比较实验数据,观察哪种方法加热效果好。
4.我对此实验的猜想:
在底部加热效果最好,不管哪种方法,上部温度都要比下部温度高。
进行实验并观察现象及整理
实验1.先进行底部加热实验,得到实验数据
双温度计试管底部加热实验(表1)
时间(min)
温度(℃)
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
下部
10
11
11
12
13
14
16
18
20
22
24
26
27
29
31
32
33
34
上部
9.5
15
19
23
25
28
31
32
35
37
41
42
45
47
50
52
54
55
温差上-下
-0.5
5
8
11
12
14
15
14
15
15
17
16
18
19
19
20
21
21
根据数据绘制折线统计图(图2)
图2
实验2.再进行中部加热实验,得到实验数据
双温度计试管底部加热实验(表2)
时间(min)
温度(℃)
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
下部
8
8.2
8.2
8.2
8.2
8.2
8.2
8.3
8.5
8.6
8.7
8.8
8.8
8.9
8.9
8.9
8.9
8.9
上部
18
22
26
31
36
40
43
45
47
50
53
56
59
60
64
66
70
72
温差上-下
10
14
18
23
28
31
35
37
38
41
44
47
50
-51
55
57
61
63
根据数据绘制折线统计图(图3)
图3
实验3.再进行上部加热实验,此时发现,刚一加热,水便从连通管中溢出,实验被迫停止。
此时底部温度仍保持室内温度8℃,上部温度已升至56℃。
分析与论证:
1.从表1中可以观察到开始0.5min过后,下部比上部高出0.5℃,是因为一开始酒精灯对双温度计试管底部加热,将热量传递到底部,短时间内还没有与上部水充分发生对流,所以下部水温略高于上部水温。
2.从表1,表2中均可发现,随着时间的推移,上部的水温逐渐高过下部的水温且由图4,图5可知温差越来越大,因为下部的水被加热后膨胀,密度变小,则被压到了上面,而上部的水温度低,密度大,降到了下部,也就是说,下部和上部的水发生了热对流,且热对流是自下而上进行的。
这时,降下来的冷水被加热后又到了上部,上部的冷水降下,形成循环,则热的水总是在上部,上部温度自然比下部温度高,以此可推出热对流的最终结果是水沸腾,上下部温度相同。
3.观察表1,表2,图2,图3可以发现,在底部加热实验中,底部温度还是有明显的上升的,而在中部加热实验中,底部温度几乎没怎么上升,一直在10℃以下,且综合图4,图5,在底部加热实验中,上部与下部的温差也没有在中部加热实验中上部与下部的温差大。
因为在底部加热实验中底部参与了对流,还是有热量传递到底部,而在中部加热实验中只有从中部到上部的一段参与了热对流,而中部到底部水温低,密度大,一直在下部,无法参与热对流,只能通过热传导获得微弱的热量,这样的对比更说明了热对流是自下而上进行的。
且热对流的距离越短,对流速度越快,上部升温越快
4.观察表1,上部与下部的温度都有明显上升,下部9分钟上升了24℃,可推出再过20多分钟试管内的水就能完全烧开,由表2可知,下部9分钟上升了0.9℃,可推出需要过超过1个小时试管内所有的水才能完全烧开,则可得出在下部加热所需时间是最短的,电热水壶的加热线圈自然应放置于下部。
5.由实验3,刚加热,水就从连通管中溢出是因为上部的水受热,上面已没有水与之发生热对流,则水会快速升温膨胀,从连通管中溢出。
6.
由实验1,2,也可推出若实验3正常进行,上部的水会快速受热沸腾,而下部的水与上部的水相隔很远,通过热传导获得热量更为困难,则需要更长的时间受热,效果较中部加热与底部加热更差。
得出结论:
热对流是热传递的一种方式,可以在水中进行的,热对流是自下而上进行的,所以加热线圈应放在电热水壶的底部。
实验误差:
1.用酒精灯加热时由于空气流动,烛焰不稳定,热量不集中
2.不能保证每次实验都是用火焰的同一位置加热的
拓展思维:
既然液体能够进行热对流,那热对流能否在气体中进行呢?
构造实验:
为了更好地观察气体的热对流,我们可以使用氯化铵NH4Cl(氯化铵NH4Cl=氨NH3+浓盐酸HCl)一种成白色浓烟状的物质。
器材:
我们制作的一个长方体木盒(前部有玻璃便于观察),上部有两个连通管(一个进气口,一个出气口),蜡烛(加热,放在出气口),浓盐酸,氨
提出实验步骤:
1.点燃蜡烛,关上前方玻璃
2.在入气口放入棉花作为载体,将浓盐酸,氨混合形成氯化铵
3.氯化铵从进气口进入
4.蜡烛加热周围空气,周围空气膨胀,密度变小,进气口处的空气温度低,密度大,则随氯化铵压向出气口,此时空气被蜡烛加热密度变小
5.打开前方玻璃,推倒蜡烛以免氯化铵遇火挥发,关上前方玻璃
6.带氯化铵空气遇热膨胀密度变小,上升从出气口排出,形成热对流
进行实验并观察
得出结论:
热对流同样可以在空气中进行,是自下而上进行的。
实验误差:
1.形成的氯化铵体积不够,导致只有极少量的带氯化铵气体从出气管排出
2.打开前方玻璃推倒蜡烛时,会有空气流出,热量散失。
应用:
孔明灯:
燃料燃烧使内部空气温度升高,体积膨胀,从而排出孔明灯中原有空气,产生对流,使自身重力变小,空气对它的浮力把它托了起来。
原来G总>F浮
则G原空气+G灯>F浮
Ρ原空气gV排+m灯g>ρ空气gV排
燃料加热后G总=G现空气+G灯
=ρ现空气gV排+m灯g
F浮=ρ空气gV排不变
因为ρ现空气<Ρ原空气
所以现在G总可能小于F浮,则孔明灯升空
另外热气球也是同样的道理,热对流的应用十分广泛,在此也不能一一赘述。
总结:
这是一次由探究电热水壶的加热线圈的位置引发的热对流
实验,观察并论证了热对流也是热传递的一种,热对流是自下而上进行的,且既可以在液体,又可以在气体中进行,由此列举了热对流的实际应用。
在实验中依然有需要改进的部分,可以进一步地减小误差,使实验的说服力更强。
而如气体对流实验中更多地是观察,并没有找到测量和定量计算的方法,还需要进一步的探究。
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- 对流 实验 报告