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美安特磁翻板液位計
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水位計溫度計靜電計的類比研究

返回列表發布日期:2019-06-24 15:58:08    |    

摘要:將初中物理中的水位計、高中物理中的溫度計與之做了一個深入的類比研究,從而讓學生從熟悉的知識輕松地跨越到生疏的知識,進而深刻地理解和掌握靜電計的結構和原理,突破了靜電計教學的困難,值得廣大高中教師學習借鑒.
高中階段,溫度計、靜電計的原理,向來為學生所糊涂,究其原因,基本上都是由于不明白溫度計實際上是個熱容器、靜電計實際上是個電容器,不明白它們與待測物體是并聯關系,不明白測量的基礎是對應的平衡原理.為了解決這個問題,我們類比學生熟悉的初中物理中的水位計,來組織教學.教學實踐證明,這種方法對學生理解溫度計、靜電計原理比較好,特整理出來與大家分享,并請大家批評指正.
1 水位計原理
如圖1所示,一根與大的水桶(或鍋爐)下部連通的豎直透明玻璃細管,就是一個水位計,利用水位計中的液面與水桶(或鍋爐)中的液面等高,就可以了解水桶或鍋爐中的水位情況.
1.1 水位計———小的水容器
水位計盡管很細,但是毫無疑問的是,它工作時是裝有水的,也就是說,它是一個水容器,它會分得一部分待測水桶(或鍋爐)里的水;不過,水位計的確很細,盡管它里面的水位可能很高,但是其分得的水量,相對水桶(或鍋爐)內的水量,則完全可以忽略不計,因此,在水位計工作時,它對水桶(或鍋爐)內水量的影響就可以忽略不計.(本文相關產品推薦:側裝磁翻板液位計
1.2 連通器原理
水位計的下端與水桶(或鍋爐)的下部連通,水位計中的水在底部產生的壓強,等于水桶(或鍋爐)內的水在下部連通處產生的壓強,由于兩側水的溫度、密度相同,上端氣室也相通,因此,兩邊水面高度必然相同.這就是初中所學習的連通器原理.水位計的工作,就是在連通器原理的基礎上進行的.值得一提的是,如果水位計和水桶(或鍋爐)內的液體密度不同(一般不會出現這種情況),則根據兩邊液體在連通位置處產生的壓強相等可知,水位計中液面的高度就會與水桶(或鍋爐)中的液面高度不同.但是,無論如何,兩邊液體在底部連通處產生的壓強相等.
2 溫度計原理
常見的溫度計有酒精溫度計和水銀溫度計,如圖2所示,這兩種溫度計都是底部一個玻璃泡上部一根細玻璃管,其中玻璃泡中充滿了紅色酒精或者水銀,它工作時,是將底部玻璃泡與待測物體充分接觸并持續一段時間,待細玻璃管中的液柱長度穩定后,直接由液柱的長度與刻在玻璃管上的溫度刻度對比,即可讀出待測物體的溫度.
2.1 溫度計———小的熱容器
溫度計中充有的酒精或者水銀,在吸收熱量后體積就會膨脹,經驗表明,在一定溫度范圍內,一定量的這兩種液體的體積,與溫度呈較好的線性關系,因此,只要在相應的體積(液柱長度)處,刻上對應的溫度值,就可以直接根據液柱的長度讀出溫度計中液體的溫度.
溫度計在與待測物體充分接觸的時間內,就會從比溫度計溫度高的待測物體中吸收熱量,但由于溫度計中的液體量極小,且由于示數的玻璃管很細,其在溫度升高到與待測物體溫度相同時,根據Q=cmΔt可知,其吸收的熱量是很小的,因此,它幾乎不影響待測物體的溫度.不過,對于人體皮膚這個敏感的感受器而言,一開始接觸時,皮膚是會明顯感受到接觸處熱量的流失的(感覺溫度計冷),但是由于溫度計熱容很小,很快就可以升溫到與皮膚溫度相同,皮膚就不再覺得溫度計冷了.
2.2 熱平衡定律
當兩個物體接觸時,熱量會自發地從高溫物體傳向低溫物體,當熱傳遞進行到一定程度時,熱量不再發生宏觀流動,這時,我們就說這兩個物體達到了熱平衡狀態;實驗表明,當兩個物體均與第三個物體達到熱平衡后,將這兩個物體接觸時,它們也已經處于熱平衡關系中.這就是熱平衡定律,又稱之為熱力學第零定律.
為了描述幾個達到熱平衡物體的共同屬性,我們引入溫度概念,并定義達到熱平衡的幾個物體溫度相同,溫度不同的物體之間會發生熱傳遞,則定義提供熱量的一方溫度高,接收熱量的一方溫度低.
當溫度計與待測物體充分接觸后,也就是進行充分的熱傳遞后,最終的結果必然是兩者溫度相同,因此,利用溫度計中液體膨脹的體積情況,即可以讀出溫度計中液體的溫度,也就是待測物體的溫度.
3 靜電計原理
如圖3所示,靜電計是由一個圓形金屬圓筒與一根較細的、與圓筒絕緣的金屬桿組成,金屬桿下端有一個可以繞固定軸自由旋轉的金屬指針.當靜電計與待測電容器并聯且達到穩定后,就可以利用靜電計指針偏轉的角度讀出待測電容器兩極板間的電壓.
3.1 靜電計———小的電容器
如圖3所示,從靜電計的結構可以看出來,靜電計是兩塊彼此靠近而又絕緣的導體———金屬圓筒、金屬細桿(連同指針),因此是個電容器.
靜電計工作時,需要與待測電容器并聯,并將待測電容器極板上的電荷轉移一部分過來,從而使金屬圓筒和金屬細桿(連同指針)帶上等量異種電荷,而細桿與指針帶上相同的電荷之后,就會相互排斥,從而顯出張角,當靜電計兩極間的電勢差增加時,由Q=CU可知,金屬圓筒或金屬細桿(連同指針)所帶電量越大,細桿與指針之間的排斥力就越大,指針張角就會越大.
由于細桿和指針表面積很小,且與金屬圓筒距離很大很大(相對紙媒電容器、電解電容器而言),因此,靜電計的電容又是很小的,它與待測電容器并聯時,從待測電容器轉移過來的電荷量,相對待測電容器所帶電荷量而言,可以忽略不計.
3.2 靜電平衡原理
當兩個導體通過導線連通或直接接觸時,自由電荷會自發地向電勢能較低的方向移動,當自由電荷不再發生定向移動時,意味著自由電荷不論是在兩個連通導體中的哪一個上,電勢能都是相同的,也就是說,兩連通導體的電勢相等,這就是靜電平衡原理.
如圖4所示,當靜電計的金屬圓筒與待測電容器一個極板連通(兩者均接地,通過大地連通,取大地電勢為零),金屬細桿與待測電容器的另一個極板連通,經過極短時間,連通的導體之間就可以達到靜電平衡,從而使得靜電計兩端電勢差與待測電容器兩端電勢差相等.從靜電計指針張角的大小讀出靜電計兩極間的電勢差,也就讀出了與其并聯的待測電容器兩極間的電壓.
4 總結對比
水位計、溫度計、靜電計的類比如表1所示.
從上述總結來看,3種儀器工作的基礎都是與待測物體達到一種強度量(壓強、溫度、電勢)的平衡,而這個過程中,幾乎必然要與待測物體發生對應的廣延量(水量、熱量、電荷量)的轉移,從而對待測物體的對應強度量造成一定的影響;但是,由于這3種儀器本身的容量很小,在達到與待測物體的平衡時,其可能分得的對應廣延量的數值,相對待測物體本身所具有的對應廣延量而言,幾乎可以忽略不計,因此,這3種測量儀器本身的示數(儀器本身的強度量)就很接近測量前待測物體的相應強度量,從而達到測量的目的.

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