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．
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．
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．
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．
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．
水位計、溫度計、靜電計的類比如表１所示．