1、普通物理实验南阳师范学院物理与电子工程学院1前 言普通物理实验是物理学专业的必修课，它的内容包括热学和光学实验。在本讲义中，热学部分共列出 6 个实验，光学部分共列出 7 个实验。其中实验一、实验二、实验三、实验四由王宗昌编写，实验五、实验六由郑长波编写，实验八、实验九、实验十一由宋金璠编写，实验七、实验十、实验十二、实验十三由仲志国编写，本讲义由张萍统稿并定稿，并感谢尹中文对编写本讲义过程中所提供的帮助。本讲义在编写过程中，参考了许多其他高等师范院校的实验教材，但由于编者水平和能力有限，讲义中难免有不妥之处，恳请读者批评指正。编者2006 年 8 月2目 录实验一 金属比热的测定3 实验二
2、金属线胀系数的测定7实验三 冰的熔解热的测定14实验四 液体表面张力系数的测定拉脱法18实验五 良导体导热系数的测定21实验六 不良导体导热系数的测定25实验七 薄透镜成像性质研究及透镜焦距的测定28实验八 分光计的调整及折射率的测定36实验九 等厚干涉现象的研究49实验十 迈克尔逊干涉仪的调整和使用54实验十一 用透射光栅测光波波长及角色散率59实验十二 狭缝衍射的研究65实验十三 全息照相793实验一 金属比热的测定实验目的1掌握基本的量热方法混合法。2测定金属的比热。3学习热学实验中散热带来的误差的修正方法。实验仪器量热器、物理天平、温度计、加热器、待测金属块。主要仪器介绍量热器如图 1
3、 所示。量热器的内外筒由金属制成（一般为铜制或铝制） 。内外筒之间有空气层并用绝热架隔开，外筒用绝热盖盖着，内筒内有金属制的搅拌器，搅拌器的手柄上加绝热套。同时内筒的外壁、外筒的内壁电镀得十分光亮，使得它们发射或吸收辐射热的本领变得很小，这样实验系统可粗略地认为是个孤立的实验系统。 实验原理温度不同的物体混合后，热量将由高温物体传递给低温物体，如果在混合过程中系统和外界没有热交换，最后将达到均匀稳定的平衡温度，在这个过程中，高温物体所放出的热量等于低温物体所吸收的热量。此即热平衡原理。将质量为 m、温度为 t1的金属块投入量热器的水中，设量热器（包括搅拌器和温度计插入水中部分）的热容为 q，其
4、中水的质量为 m0，比热为 c0，待测金属块投入水中之前水和量热器的温度为 t2，在待测金属块投入水中之后，系统达到平衡状态，此时混合温度为 t，设待测金属块的比热 为 c，则在忽略量热器与外界热交换的情况下，将存在下述关系：（1）)()(201tqtmc图 1 1.量热器内筒 2.量热器外筒3.绝热架 4.绝热盖5.搅拌器 6.绝热套7.温度计 8.橡皮塞4所以)(120tmqc（2）量热器的热容 q 可以根据其质量和比热算出，设量热器内筒和搅拌器由同一物质制成，其质量为 m1、比热为 c1，温度计插入水中部分的体积为 v(单位为 cm3)，则q = m1c1+1.9v (J/0C) （3）
5、上述讨论是在假定实验系统与外界没有热交换的情况下得出的结论。实际上只要有温度差异就必然会有热交换，因此，必须考虑如何防止或进行修正热散失的影响。在本实验中由于测量的是导热良好的金属，从投入物体到系统达到平衡状态所需时间较短，可以采用热量出入相互抵消的方法消除散热的影响。即控制量热器和水的初温 t2，使 t2低于环境温度 ，混合后的平均温度 t 则高于环境温度 。当系统温度低于 时，系统从外界吸热；当系统温度高于 时，系统向外界散热。如能使 ，则可做到系统和外界的热交换大致相抵消。若实验中未能做)()(2t到使 ，可以用下述方法对系统的温度进行修正。这种修正系统温度的方法，要点是假定过程在无限短
6、的时间内完成（即系统来不及与外界进行热交换） ，作出过程的时间-温度曲线，利用外推法得到系统的理想初温和终温。图 2 是实验中系统的温度时间曲线，其中，AB 、 BC、 CD 三段分别是过程进行前、进行中和进行后的温度时间关系。过曲线上某点 G 作时间轴的垂线 EF（使 G 点对应的温度为 ） ，延长 AB 和 DC，分别交 EF 于 E 和 F 二点。由于 BEG 的面积 SA和 CFG 的面积SB分别与系统吸收和散失的热量成正比。E、 F 二点对应的温度 t2/和 t/就分别是在理想情况下系统的初温和终温。于是（2）式修正为： 5（4） )(/1/20tmqc实验步骤1.用天平称出量热器内
7、筒和搅拌器的质量 。若它们是同一种材料制成，就1m可以放在一起称量。否则要分别称量。称量时，要取下搅拌器上的绝热套。2.用天平称出待测金属块的质量 m，用细线把金属块栓住。3.在量热器内筒内放入低于室温约 30C 的适量的水，不停地轻轻搅拌水，每半分钟测水温一次，测 5 分钟。4.在第 5 分钟末，迅速地将 t1 =1000C 的金属块投入量热器内筒中，立即盖好外筒绝热盖，轻轻搅拌水，并观察水温变化情况。可以看到：水温迅速升到最高然后又慢慢下降（当 t 时） 。记下最高温度 t 和相应的时刻 ,然后再测量温度t5 分钟。5.用另一支温度计测量室温 ，最好能在投放金属块之前和测温结束后各测量一次
8、，求其平均值。6.用天平称出量热器、搅拌器、金属块和水的总质量，算出水的质量 m.7.测量温度计浸入水中的体积 v.8.如果（ - t2）和（ t - ）不能大致相等，则需画出时间-温度曲线，修正系统的初温和终温。9.计算被测金属的比热容，并计算误差。实验数据表 表 1内筒搅拌器质量m1= g待测金属块质量m= g室温 1= 0C冷水质量m0= g温度计浸没的体积v= cm3室温 2= 0C表 2时间 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13图 26（分）水温（ 0C）注意事项1量热器中温度计的位置要适当，不要使它太靠近被测金属块。因未混合的系统，局部温度可能很高。2将金属块
9、从沸水中移入量热器时，动作要迅速准确，并注意尽量减少带进来的热水。3搅拌要均匀、轻柔、不停地进行。4测温时两眼要平视，以避免视差。预习思考题1 实验系统由哪几部分组成？2 混合法的原理是什么？本实验中是如何保证实验条件成立的？3 本实验是如何进行散热修正的？复习思考题1.根据误差理论，分析产生误差的原因及减少误差的方法。2如果量热器内筒和搅拌器的材料未知，你能用实验手段测出它们的热容量吗？是否可以连同温度计的热容量一同测出？3. 实验方案的选择是唯一的吗？若不是，试写出其它实验方案。78实验二 金属线胀系数的测定材料的线膨胀是材料受热膨胀时，在一维方向的伸长。线胀系数是选用材料的一项重要指标，
10、特别是研制新材料时，对材料的线胀系数测定是一个重要内容。本实验用光杠杆放大法对金属的线胀系数进行测定，从实验中还可学习如何分析影响测量精度的诸因素。实验目的1.学习用光杠杆法测金属线胀系数的原理。2.进一步掌握调整光杠杆和望远镜的基本要领。3.学习游标卡尺测长度的方法。实验原理固体受热后其长度的增加称为线膨胀。在一定的温度范围内，原长为 L 的物体，受热后其伸长量 与 L 成正比，与温度的增加量 近似成正比，即t（1）t式中的比例系数 称为固体的线膨胀系数（简称线胀系数） 。实验表明，一般来说塑料的线胀系数最大，金属次之，因瓦合金、熔凝石英的线胀系数很小。因此，因瓦合金和石英的这一特性在精密测
11、量仪器中有较多的应用。几种材料的线胀系数见下表。材料 铜、铁、铝 普通玻璃、陶瓷 因瓦合金 熔凝石英的数量级（1 ）约 105 约 106 210 6 约 107实验还发现，同一材料在不同温度区域，其线胀系数不一定相同。某些合金在金相组织发生变化的温度附近，同时会出现线胀量的突变。因此测定线胀系数是了解材料特性的一种手段。但是，在温度变化不大的范围内，线胀系数仍可认为是一常量。为测量线胀系数，常常将材料做成条状或杆状，本实验就是测定金属管的线胀系数。由（1）式可知，若测量出温度为 t1时的管长 L、受热后温度达到 t2时管的伸长量 和受热前后的温度 t1、t 2，则线胀系数可写为L9（2）)(
12、12tL线胀系数 的物理意义是：固体材料在温度（t 1，t 2）区域内，温度每升高 1时材料的相对伸长量，单位为 -1。线胀系数测量中的主要问题是如何测微小伸长量 ，本实验用光杠杆放大法L进行测量。光杠杆测微小伸长量原理见（实验二） 。由关系式 可得 nRb2（3）RnbL2)(1这里 2R/b 是光杠杆的放大倍数。把（3）式代入到（2）得（4）)(12t式中 L 是待测金属杆的长度，R 是光杠杆平面反射镜到望远镜标尺的距离，b是光杠杆的臂长，n 1 、n 2是对应 t1、t 2时标尺的像的读数。 （4）式是本实验所依据的公式。实验仪器线胀系数测定仪，光杠杆，望远镜及标尺，数字温度计，钢卷尺，钢直尺，游标卡尺，待测金属管等。图 1 测定线胀系数的实验装置（ 接 数 字 温 度 计 ）棒测探 待 测 金 属 管
