對液體溫度計和氣體溫度計的原理的討論

王娟 劉衛(wèi)華

【摘要】初中物理學(xué)科實驗性較強(qiáng).為了落實新課標(biāo)精神，培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)，提升學(xué)習(xí)物理的能力，需要注重實驗教學(xué)，掌握實驗操作的方法，培養(yǎng)學(xué)生動手和動腦的能力.

【關(guān)鍵詞】溫度計；熱脹冷縮；熱平衡

1液體溫度計

首先對于液體溫度計，它的原理是：測溫液體的熱脹冷縮.玻璃泡內(nèi)所裝的液體受到溫度的影響，體積膨脹，就會使管內(nèi)液柱的長度發(fā)生明顯的變化.

1.1原理分析

當(dāng)被測物體溫度為t1時，液體吸，熱體積膨脹，達(dá)到熱平衡時，玻璃泡里的液體液面到達(dá)位置A，此時體積為V1；當(dāng)被測物體溫度為t2時，液體吸熱膨脹，達(dá)到熱平衡時，玻璃泡里的液體液面到達(dá)位置B，體積為V2.假設(shè)玻璃管內(nèi)徑截面積為S，則有Δh=ΔVS=V2－V1S，水銀的體積膨脹系數(shù)受溫度的影響較小，在較大的范圍內(nèi)可認(rèn)為是不隨溫度的改變而改變，則等分刻度后產(chǎn)生的誤差較小.

1.2公式分析

可以看出，液面高度的變化Δh與溫度的變化成正比，所以液體溫度計的刻度特點是由下往上，數(shù)值由小到大，且刻度分布均勻.

要提高溫度計的精確度，即在Δt不變的前提下，增大Δh首先是增大ΔV即增大玻璃泡的容積，其次選擇比熱容較小的液體，如水銀（熱導(dǎo)率大、比熱容小，和外界發(fā)生熱傳遞后很快可以達(dá)到平衡）；第三是減小S，即玻璃管的內(nèi)徑做得更細(xì).

1.3典例分析

例題甲乙兩支煤油溫度計，玻璃泡容積相同，甲的內(nèi)徑為6.2mm，乙的內(nèi)徑為6mm，現(xiàn)用這兩支溫度計分別去測量同一杯溫水的溫度，則情況是（）

（A）甲乙上升高度一樣且兩支溫度計的示數(shù)相同

（B）乙溫度計內(nèi)液柱升得高，且示數(shù)也大

（C）甲溫度計內(nèi)液柱升得高，且示數(shù)也大

（D）乙溫度計內(nèi)液柱升得高，但甲乙的示數(shù)相同

分析同一杯熱水則溫度計的示數(shù)應(yīng)相同．

解析由于同一個物體的溫度是定值，兩支溫度計的示數(shù)應(yīng)相同.

因為玻璃泡的容積相等且都是煤油，故液體受熱后膨脹程度相同，即增大了相同的ΔV，根據(jù)Δh=ΔVS可知：內(nèi)徑S越小，溫度計內(nèi)液柱上升得越高.答案選（D）．

變式1有兩支待標(biāo)定的液體溫度計，內(nèi)徑相同，甲的玻璃泡容積大，如果要標(biāo)定一個精確度更高的溫度計，下列說法正確的是（）

（A）選擇甲，因為甲的膨脹更大，液面上升的高度更高

（B）選擇乙，因為乙的膨脹更大，液面上升的高度更高

（C）選擇甲乙都一樣，因為液體的膨脹相同，液面上升的高度相同

（D）無法確定

分析液體升高相同的溫度，膨脹得越大，液體的體積越大，液面上升的高度越高.

解析當(dāng)甲乙兩支溫度計升高相同的溫度時，由于甲的玻璃泡容積大，液體膨脹的體積更大，根據(jù)Δh=ΔVS，則液面上升的高度更高.可以提高溫度計的精確度，即提高溫度計的分度值.所以選甲.答案為（A）.

變式2現(xiàn)有兩支分度值相同、玻璃泡的容積相同的水銀體溫計，甲的內(nèi)徑大于乙.用它們來給物體測溫時，情況是（）

（A）甲更準(zhǔn)確

（B）乙更確度

（C）甲乙的準(zhǔn)確度一樣高

（D）無法確定

分析準(zhǔn)確度與分度值大小有關(guān).

解析溫度計內(nèi)裝有等容積的水銀，故升高相同溫度時，膨脹的體積ΔV相同．由：Δh=ΔVS ，則內(nèi)徑大的溫度計的液柱高度小，但內(nèi)徑大的溫度計的刻度分布更密．但由于此時分度值相同，即精確度相同，則用它們測同一物體的溫度，準(zhǔn)確度相同.答案選（C）.

2氣體溫度計

分析伽利略的溫度計，它的原理是氣體的熱脹冷縮性質(zhì)，但由于玻璃泡的容積比玻璃管的容積大得多，可忽略不計，故可以把封閉氣體隨著溫度的變化看作是等容過程.則本質(zhì)上氣體溫度計是根據(jù)氣體的壓強(qiáng)隨溫度的變化來制成的.

2.1原理分析

當(dāng)環(huán)境溫度為t1時，且封閉氣體吸熱膨脹達(dá)到熱平衡時，玻璃泡里的液體液面到達(dá)位置A，此時玻璃泡里氣體壓強(qiáng)為p1；當(dāng)環(huán)境溫度為t2時，封閉氣體達(dá)到熱平衡時，液體液面位置為B，玻璃泡里氣體壓強(qiáng)為p2.假設(shè)外面大氣壓強(qiáng)為p0，則有p0=p1+ρghA，p0=p2+ρghB，Δp=p2－p1=ρgΔh.

查理定律一定質(zhì)量的某種氣體，在體積不變的情況下，壓強(qiáng)p與熱力學(xué)溫度T成正比.寫成等式就是p=CT，所以有p1=CT1，p2=CT2，

Δp=p2－p1=CΔT=CΔt，所以有ρgΔh=CΔt，ρΔh=CΔtg=kΔt.

2.2公式分析

液面高度的變化在數(shù)值上與溫度的變化成正比.只是溫度升高，液面下降，所以氣體溫度計的刻度特點是由下往上，數(shù)值變小，且刻度是均勻的.

分析公式可知提高溫度計的精確度，即在Δt不變的前提下，可以減小液體的密度、增大玻璃球的容積和減小玻璃管內(nèi)徑等方法.

2.3儀器缺點

由于氣體溫度計下端是與大氣相通，玻璃管中的液面位置不僅受到球體內(nèi)空氣溫度的影響，還會受到大氣壓強(qiáng)的影響．因此這種溫度計的缺點是管中液柱的升降變化還受到大氣壓變化的影響，所以誤差較大，甚至有可能使管內(nèi)液面低于管外液面；還有此溫度計體積較大，攜帶不方便.

3結(jié)語

本文通過分析比較液體溫度計和氣體溫度計的測溫原理，加深了學(xué)生對各種溫度計知識的認(rèn)識，便于展開豐富多彩的自制溫度計的學(xué)生實驗器具活動.

參考文獻(xiàn)：

[1]洪安生.用水銀制作液體溫度計是因為水銀的比熱小嗎？[J].物理通報，2002（08）：31-32.

[2]羅倩，張皓晶.用溫度計測量酒精的體積膨脹系數(shù)[J].物理實驗，2020，40（09）：61-63.