Материал: Изучение закона Джоуля — Ленца (120

В калориметре, разработанном на кафедре физики МГТУ им. Н.Э. Баумана [4], используется специальная лампа (рис. 4), которую будем называть калориметрической лампой. В стеклянном баллоне Б с разреженным газом находится нагреваемое калориметрическое тело КТ, содержащее электрический нагреватель Н и электрический термометр — терморезистор ТР. Размер нагреваемого калориметрического тела равен примерно 1 мм, поэтому его теплоемкость и тепловая инерция очень малы.

Рис. 4. Схема калориметрической лампы:

Б — стеклянный баллон; КТ — калориметрическое тело; Н — нагревательная спираль; ТР — терморезистор

Терморезистор представляет собой крошечную бусинку из полупроводника с двумя металлическими выводами. Сопротивление терморезистора сильно зависит от температуры — при увеличении температуры на 1 °C сопротивление уменьшается на несколько процентов. Поэтому малые изменения температуры легко измерять терморезистором.

Зависимость сопротивления полупроводника от температуры — нелинейная. Однако при малых значениях T, имеющих место в данной работе, приращение сопротивления терморезистора можно

где β — коэффициент пропорциональности.

С помощью специальной электрической схемы небольшое изменение сопротивления преобразуют в напряжение Uк, пропорциональное изменению сопротивления:

где γ — коэффициент пропорциональности.

11

Объединив формулы (12) – (14), получим

где k = 1/(αβγ) — коэффициент пропорциональности.

Таким образом, измеряемое в опыте напряжение Uк пропорционально тепловой мощности. Поэтому величину Uк можно рас-

сматривать как тепловую мощность в условных (относительных) единицах.

Экспериментально можно найти значение коэффициента k (это действие называют градуировкой калориметра) и по формуле (15) вычислить тепловую мощность в абсолютныхединицах— ваттах.

Градуировка состоит в следующем. Через нагреватель калориметра пропускают известный ток I, измеряют напряжение Uк и находят значение k из формулы

где R = 100 Ом — сопротивление нагревателя калориметрической лампы.

Для проверки закона Джоуля — Ленца (8) измеряют напряжение Uк при различной силе тока I нагревателя, вычисляют по формуле (15) тепловую мощность в ваттах и строят графическую зависимость dQ/dt от I 2. Эта зависимость должна быть линейной.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1. Электрические схемы установки

Электрическая схема калориметра показана на рис. 5. Внутри сплошного калориметрического тела КТ находятся нагреватель Н из нихромовой проволоки сопротивлением 100 Ом и терморезистор (термометр) ТР сопротивлением 33 кОм.

12

Рис. 5. Электрическая схема калориметра:

КТ — калориметрическое тело лампы; Н — нагреватель; ТР — терморезистор; Р — регистрирующий прибор; ИСТ — источник постоянного напряжения 9 В

Терморезистор включен в мостовую схему, содержащую четыре плеча из резисторов, источник питания ИСТ и показывающий цифровой вольтметр Р. Эта схема преобразует небольшое изменение сопротивления терморезистора ТР при нагревании калориметра в выходное напряжение Uк, пропорциональное тепловой мощности и измеряемое вольтметром Р.

Схема работает следующим образом. При отсутствии тока в нагревателе вольтметр Р должен показывать «нуль». Этого добиваются вращением ручек «УСТАНОВКА НУЛЯ» (грубо и точно), которыми изменяют сопротивление переменных резисторов R4 и R5, пока потенциалы точек c и d не станут одинаковыми (см. рис. 5). Затем через нагреватель Н пропускают ток, температура калориметра повышается на T, а сопротивление терморезистора ТР уменьшается на R. Вследствие этого потенциал точки c понижа-

13

ется, а потенциал точки d остается неизменным (потенциал отсчитывают от общей точки b). Поэтому между точками c и d возникает сигнальное напряжение Uк, значение которого записывают. При небольших значениях T напряжение Uк пропорционально тепловой мощности.

Рис. 6. Схема питания нагревателя калориметра:

ИСТ-1, ИСТ-2 —источники постоянного и переменного тока; П — переключатель токов; К – калориметр; Н — нагреватель; R1 — сопротивление для регулировки тока; R2 — сопротивление, с которого снимается напряжение на осциллографе; 1, 0, 2 — положения переключателя П

На рис. 6 показана упрощенная схема питания нагревателя калориметра. Она имеет источники постоянного тока ИСТ-1 и переменного тока ИСТ-2. Миллиамперметром mA измеряют силу постоянного тока. Переключатель П имеет три положения: 1 — постоянный ток, 2 — переменный ток и 0 — ток выключен. Переменным резистором R1 изменяют силу тока. Напряжение на рези-

14

сторе R2, пропорциональное силе тока, подается на осциллограф для сравнения силы постоянного тока и амплитуды переменного тока. Через два разъема схему подключают к нагревателю Н калориметра К и к осциллографу.

2. Выполнение работы

Задание 1. Ознакомиться с установкой.

Лицевая панель установки показана на рис. 7. Калориметрическая лампа 1 находится в камере с прозрачной крышкой. Ручками 2 производится установка «нуля». Цифровой вольтметр 4 измеряет выходной сигнал Uк калориметра, называемый «тепловая мощность в условных (относительных) единицах». Кнопкой выключателя 3 подводится батарейное питание к измерительному прибору.

Рис. 7. Лицевая панель установки:

1 — калориметрическая лампа; 2 — ручки «УСТАНОВКА НУЛЯ» (грубои точно); 3 — кнопкавключения питанияцифровогоприбора; 4 — показывающий цифровой вольтметр; 5 — ручка «РЕГУЛИРОВКА ТОКА»; 6 — тумблер «ПОСТ. ТОК / ВЫКЛ. / ПЕРЕМ. ТОК»; 7 — разъем «ВЫХОД НА КАЛОРИМЕТР»; 8 — разъем «ВЫХОД НА ОСЦИЛЛОГРАФ»; 9 — миллиамперметр; 10 — источники питания

15