差示温度计测量法.docx
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差示温度计测量法
的电阻R\和尺2正向偏置。
在此电路
图.1•二极管传感器电路
差示温度计测量法
在本实验中,我们采用差示温度计测量法来完成以下两项任务:
1•测定一个固态晶体物质的凝固点;
2.测定一个太阳能电池的效率。
A.差示温度计测量法
在这个实验里我们采用正向偏置的硅二极管作为温度传感器。
如果流过二极管的电流强度保持不变,则二极管两端的电压降与温度之间存在以下关系
V(T)=V(7;))-a(T-7;))
(1)
其中U(T)和V(7;))分别为在温度T和室温T.(单位为°C)下二极管两端的电压降,系数
a=(2.00±0.03)mV/°C,
(2)
对于不同的二极管,电压降W(7;))的值可略有不同。
如果两个二极管被放置在不同的温度下,那么可通过测量两个二极管上的电压降之差来测量温度差。
电压降之差被称为
差电压。
差电压可以被高精度地测量,这1
样温度差也可以被高精度地测量。
这种方法被称为差示温度计测量法:
图1是本实验所用的二极管传感器的电路图。
二极管
Di和D2由一个9V电池通过10kQ
中可以认为通过二极管的电流强度保持不变。
记二极管D]的温度为7],二极管D2的温度为r2,根据式
(1)我们有:
K(7;)=K(坊)-坯刁-%)
匕亿)=岭⑺)一&亿—厶)
于是差电压为:
AV=^(7;)-V1(7;)=K(7;))-V1(7;))-a(7;-7;)=AV(7;))-a(7;-7;)
AV=AV(7;))-qAT
其中△t=t2-t{.通过测量差电压我们可以确定温度之差。
在本实验中用一个电路盒来为二极管加偏置。
图2是电路盒的电路图。
图2.电路盒的电路图
(顶视图)
电路盒中包括2个100的二极管偏置电阻,用于连接9V电池的接头,用于连接二极管D)和D2的插孔,以及供万用表测量二极管D2上的电压降匕和二极管Dj和D?
的差电压的插孔。
B.任务1:
测定一个固态晶体物质的凝固点
L实验目的
将一个固态晶体物质加热熔化后使其降温,此物质将在一个确定的温度7;下凝固,这一温度被称为此物质的凝固点或熔点。
测量凝固点Ts的传统方法是观察冷却过程中温度随时间的变化。
山于凝固过程中会放出相变潜热,凝固中的物质的温度将保持不变。
如果物质的量很多,物质的温度会在较长时间内保持不变,物质的凝固点可以方便地测得。
但如果物质的量很少,则物质温度保持不变的时间会很短,这使得7;的测量变得很困难。
为在少量物质的情况下测量人,我们可以采用差示温度计测量法。
以下是差示温度计测量法原理的简介。
我们采用两个小盘,其中一个盘盛有少量待测量的物质(样品盘),另一个盘不盛任何物质(参照盘)。
将两个盘子放到温度随时间缓慢变化的热源上。
传递到两个盘子的热流大小基本一致。
每个盘子都带有一个温度传感器(正向偏置的硅二极管)。
在没有发生相变的情况下,样品盘的温度7;amp和参照盘的温度杠「以基本相同的速率随时间变化,因此△厂二兀厂人哪随兀amp缓慢变化。
在待测物质发生相变的情况下,兀血中将保持不变,并等于人,而厂臥仍保持变化,因此△卩将快速变化。
在△卩随乓1聊变化的关系图中会有一个突变。
贞突变对应的為np即为人。
本实验的U的是采用传统方法和差示温度讣测量法测量一个固态晶体物质的凝固点人。
已知T,在50°C到70°C之间。
实验中用的物质量约为20mgo
2.实验器材
1.用作热源的功率为20W的卤素灯。
2.树脂薄板制成的底座。
树脂板上开有方孔,孔上固定有一小块薄钢板。
3.两个焊接有硅二极管的小钢盘。
一个做为参照盘,另一个做为样品盘。
盖子
图3•测量凝固点的装置
每个盘子都放在一块磁铁上。
磁铁的吸力使小盘子、磁铁、钢板连在一起。
磁铁同时保证钢板与小盘子之间适当的热接触。
一个灰色的塑料盒子制成的罩子可以用来防止小盘子受到外部的影响。
加热用灯、底座、磁铁、小盘子的放置如图3所示。
4.两个作电压表用的数字万用表。
当功能选择旋钮放在"C/T”档上时,万
用表也可以用来测量室温。
注意:
为防止万用表(圏9)进入''自动断电"状态,在把功能选择旋钮从关
(OFF)转到所需的位置时,必须按住"选择”(SELECT)键。
5.一个如图2所示的电路盒。
6.一个9V(伏)电池。
7.带接头的导线。
8.装有约20mg待测物质的小试管。
9.一块秒表。
10.一个计算器。
11.多张绘图专用纸。
3.实验
图4.放在底座上的盘子(顶视图)
1磁铁放在钢板上对等的位置。
参照盘和空的样品盘放在磁铁上(如图4所示)。
将左边的盘子作为参照盘,其上的二极管为Di(Di被称为参照用二极管)。
将右边的盘子作为样品盘,其上的二极管为D2(D?
被称为测量用二极管)。
按图5所示的方式将卤素灯灯罩顶朝下反放在台面上。
先不要把灯打开。
把底座放到灯上。
将装置连接好,使得你可以测量二极管D2上的电压降(即Kamp二%)和差电压AU。
为避免因最初的温升过程引起的误差,强烈建议在正式测量之前将装置打开预
热5分钟。
用卤素灯作加热源
1.1测量室温T.和室温7;下固定在样品盘上的二极管D2上的电压降%⑺)。
(。
・50分)
1.2分别计算温度为50七、70°C和8CTC时测量用二极管上电压降的理论值%p(50°C)、吆叩(70弋)和«哪(80弋)o(0.75分)
2在两个盘子都是空着的情况下打开灯。
观察匕山甲的值。
当样品盘温度达到7;吨~8(TC时,将灯关闭。
2.1先等待样品盘温度降到〈mp~70°C,然后在钢板降温过程中观测匕哪和△V随时间的变化。
每隔10到20秒读出一次匕呷和AU的值,并将读数记录后填在答题纸所给定的表中。
如果变化过快,则应减小测量间隔时间。
样品盘温度降到7^mp~50°C后测量停止。
(1.00分)
2.2在提供的绘图专用纸上做匕咲随时间〔变化的图,称之为Graph1。
(0.50分)
2.3在提供的绘图专用纸上做随比曲叩变化的图,称之为Graph2。
(0.50分)
注意:
在2.2和2.3中一定不要忘记在绘圏纸上写下正确的图名。
3将小试管中的待测物质倒入样品盘中。
按与第2节完全一致的步骤进行实验测量。
3.1将测量的匕迪甲和和测量时刻『记录后填在答题纸所给定的表中。
(1.00分)
3.2在提供的绘图专用纸上做匕mp随时间f变化的图,称之为Graph3。
(0.75分)
3.3在提供的绘图专用纸上做随只血叩变化的图,称之为Graph4。
(1.50分)
注意:
在3.2和3.3中一定不要忘记在绘图纸上写下正确的图名。
4通过比较第2节和第3节得到的变化曲线,确定被测量物质的凝固点。
4.1采用传统方法测定人:
比较第3节和第2节得到的匕3吨随时间t变化的曲线,B|JGraph3和Graph1,在Graph3±标出凝固点对应的点,并确定与凝固点对应的匕的值匕。
求出被测量物质的凝固点7;,并估算其误差。
(1・00分)
4.2釆用差示温度计测量法测定人:
比较第3节和第2节得到的△卩随匕amp变化的曲线,即Graph4和Graph2,在Graph4上标出凝固点对应的点,并确定凝固点对应的匕哪的值Vso
求出被测量物质的凝固点7;,并估算其误差。
(1.00分)
4.3根据测量数据和装置的误差,计算用差示温度计测量法测定的T,的误差。
写出误差讣算过程,最后将Ts的测量值和误差一起写在答题纸上。
(1.00分)
图6
用卤素灯做光源
率,我们需要测量灯正下方与灯相距d的位置灯的辐照度E,和太阳能电池在这一位置上的最大功率Pmax。
在本实验中,d=12cm(图6),辐照度E定义为:
E=O/S
其中①是辐照通量(即被照射表面接收的总功率),S是被照射表面的面积。
2实验器材
1.光源是一个20W(瓦)的卤素灯。
2.
辐射探测器是一个铜制空锥,其内表面被用烟尘涂成黑色(图7)。
空锥与外界环境不完全绝热。
在本实验中,上述探测器可被看作是一个理想黑体。
我们用硅二极管测量温度。
测温二极管被固定在辐射探测器上(图7中的D2),因此二极管的温度与空锥相等。
一个参照二极管放在装有探测器的盒子的内壁旁边;该二极管的温度与环境相等。
探测器(即空锥和测量二极管)的总热容量为C=(0.69±0.02)J/Ko探测器被一层聚乙烯塑料薄膜所覆盖;该薄膜对辐射的吸收可以被忽略。
图7.辐射探测器的示意图
一个如图2所示的电路盒。
一片被固定在一个塑料盒中的太阳能电池
(图8)。
电池本身包括一些金属连接条。
在
图8
太阳能电池
计算效率时,这些连接条可被看作是电池的一部分。
5.两个数字万用表。
作电压表使用时,万用表的内阻很大,可以当作无穷大。
作电流表使用时,万用表的内阻不能忽略。
作电压表使用时,万用表的误差为最末一位上的±2。
万用表也能用来测量室温。
注意为防止万用表(图9)进入"自动断电"状态在把功能选择旋钮从做OFF)转到所需的位置时,必须按住"选择"(SELECT)键。
6.—个9V(伏)电池。
7.一个可调电阻。
8.一个秒表。
9.一个刻度为1mm的直尺。
10.带接头的导线。
11.多张绘图专用纸。
3.实验
探测器会因吸收辐射能量而被加热。
与此同时,探测器乂会通过儿种方式散发热量,这些方式包括热传导、对流、辐射等。
因此,在时间间隔dt内探测器吸收的辐射能量等于使探测器温度升高的热量与探测器传递给外界的热量之和:
①df=CdT+dQ
这里C是探测器和.二极管的热容量、dT是温度的增加量,是散发的热量。
当探测器与环境的温度差△T=T-%较小时,我们可以认为在时间间隔加内探测器传给环境的热量正比于AT和也,即dQ=k/STdt,其中k是一个具有W/K(瓦/开尔文)量纲的因子。
因此,假定£为常量,△卩为小量,我们有
①df=CdT+k!
STdt=Cd(zXT)+kATdt
十〃(△厂)R、丁①心、
或+—A7=—(4)
dtCC
上述微分方程的解确定,从探测器开始接收具有恒定辐照度的辐射时(设此时
r=o,AT=0)起,温度差AT随时间t的变化:
△“)=¥1_盘
\丿
如果去掉辐射,上述微分方程变成
〃(△门kTC
——+—A7=0dtC
而温度差AT按以下规律随时间变化:
AT(r)=AT(O)e~^Z
其中AnO)是U0时刻(即开始测量的时刻)的温度差。
1测定室温%。
(0.25分)
2搭建测量辐射探测器温度的电路,电路包括两个二极管传感器(在探测器内)、电路盒和万用表。
为避免因装置预热过程中的误差,强烈建议在正式测量之前将装置打开预热5分钟。
2.1把探测器置于光源下距灯泡d二12cm处。
灯处于关闭状态。
观测的变化约2分钟。
以10秒的间隔读数,测定方程⑶中△*◎)的值。
(0.50分)
2.2打开灯照射探测器。
观测的变化,每隔10至15秒记录一个的值,并填到答题纸上给定的表中(注意:
表中x和,栏会在后面第4节被用到)。
2分钟后将灯关闭。
(0.50分)
2.3从灯下移开探测器。
观测的变化约2分钟。
其间,每隔10至15秒记录一个的值,并填到答题纸上给定的表中(注意:
表中x和y栏会在后
面第4节被用到)。
(0.50分)
第3部分和第4部分的提示
由于探测器具有热惯性,因此建议:
不要采用探测器刚开始被照射或刚停止被
照射时测到的某些数据。
3适当选取x和y变量,在x-y坐标系中做图,以证明在灯关闭后,方程(7)成立。
3.1写出x变量和y变量的表达式。
(0.50分)
3.2作y随X变化的曲线图,称之为Graph5O(1.50分)
3.3由上述曲线图确定&的值。
(0.50分)
4适当选取x和y变量,在x-y坐标系中做图,以证明在探测器被光照时,方程⑸成立。
4.1写出x变量和y变量的表达式。
(0.50分)
4.2作y随X变化的曲线图,称之为Graph6o(1.50分)
4.3确定探测器探测窗口处辐照度E的值。
(0.50分)
5把太阳能电池放在原来辐射探测器所在的位置,并将其接到一个山两个万用表和一个可调电阻器组成的电路中。
电路中的可调电阻器可被用来改变太阳能电池上的负载。
在不同的电阻值下,测量电路中的电流和太阳能电池上的电压。
5.1画出本节所用的电路图。
(0.50分)
5.2调节可调电阻器的旋钮,以改变负载的阻值。
记录旋钮在每一位置时的电流/和电圧V的值,并填到答题纸上给定的表中。
(0.50分)
5.3作功率随电流变化曲线图,称之为Graph7。
这里,功率指电池供给负载的功率,电流指通过电池的电流。
(0.75分)
5.4由上图求出电池的最大功率Pnwc,并估算其误差。
(0.50分)
5.5写出与上述最大功率相对应的电池的效率的表达式,并计算该效率的值和误差。
(1.50分)
实验设备(亦见图10)
1
卤素灯220V/20W
9
秒表
2
底座
10
计算器
3
小钢盘
11
辐射探测器
4
万用表
12
太阳能电池
5
电路盒
13
可调电阻器
6
9伏电池
14
直尺
7
带接头的导线
15
作护罩用的盒子
8
小试管,内装待测物质
选择键
功能选择旋钮
图9.数字万用表
图10・完整的实验套装
北京大学物理学院荀坤王若鹏陈晓林
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- 温度计 测量