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2019-2020年高中物理 7.4《溫度和溫標(biāo)》教案 新人教版選修3-3 目標(biāo)導(dǎo)航 （1）知道什么是狀態(tài)參量，什么是平衡態(tài)。 （2）知道什么是熱平衡，什么是熱平衡定律。 （3）知道溫度的表示方法。 （4）知道常見溫度計(jì)的構(gòu)造，會使用常見的溫度計(jì)。 （5）理解攝氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。 誘思導(dǎo)學(xué) 1．平衡態(tài)和狀態(tài)參量 在物理學(xué)中，通常把所研究的對象稱為系統(tǒng)。 （１）狀態(tài)參量 用來描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量，叫做系統(tǒng)的狀態(tài)參量。 （２）平衡態(tài) 系統(tǒng)宏觀性質(zhì)不再隨時間變化，這種情況下就說系統(tǒng)達(dá)到了平衡態(tài)。 ２．熱平衡與溫度 （１）溫度 溫度是表示物體冷熱程度的物理量，反映了組成物體的大量分子的無規(guī)則運(yùn)動的激烈程度。 （２）熱平衡 一切達(dá)到熱平衡的系統(tǒng)都具有相同的溫度。 ３．溫度計(jì)與溫標(biāo) （１）溫度計(jì) 是測量溫度的工具。 家庭和物理實(shí)驗(yàn)室常用溫度計(jì)是利用水銀、酒精、煤油等液體的熱膨脹規(guī)律來制成的。另外，還有金屬電阻溫度計(jì)、壓力表式溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、雙金屬溫度計(jì)、半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計(jì)、磁溫度計(jì)、聲速溫度計(jì)、頻率溫度計(jì)等等。 （２）溫標(biāo) 溫度的數(shù)值表示法叫做溫標(biāo)。 用攝氏溫標(biāo)表示的溫度叫做攝氏溫度；在國際單位制中，常采用熱力學(xué)溫標(biāo)表示的溫度，叫熱力學(xué)溫度。 熱力學(xué)溫度(T)與攝氏溫度(t)的關(guān)系為： T＝t+273。15 （K） 說明：①兩種溫度數(shù)值不同，但改變1 K和1℃的溫度差相同。 ②０K是低溫的極限，只能無限接近，但不可能達(dá)到。 典例探究 例１　細(xì)心觀察可以發(fā)現(xiàn)，常見液體溫度計(jì)的下部的玻璃泡較大，壁也比較薄，上部的管均勻而且很細(xì)，想一想，溫度計(jì)為什么要做成這樣呢？ 解析：這樣做的目的都是為了使測量更準(zhǔn)確、更方便。下部較大而上部很細(xì)，這樣下部儲存的液體就比較多，當(dāng)液體膨脹收縮時，膨脹或收縮不大的體積，在細(xì)管中的液面就有較大的變化，可以使測量更精確；下部的壁很薄，可以使玻璃泡內(nèi)的測溫物質(zhì)的溫度較快地與待測物質(zhì)的溫度一致；細(xì)管的粗細(xì)是均勻的，是為了使刻度均勻，更便于讀數(shù)。 課后問題與練習(xí)點(diǎn)擊 1．略 2．略 3．解析：　物理量X與熱力學(xué)溫度T成正比，即：X＝ CT （C為常量），又因?yàn)門＝t+273．15 K，所以X＝C（t +273．15），因此，t＝X／C-273．15（℃） 4．電流表上代表t１、t２的兩點(diǎn)，t１應(yīng)該標(biāo)在電流比較大的溫度上。 解析：由圖７．４－２甲可以看出，t１溫度下金屬絲電阻比較小，因?yàn)殡娐分须姵氐碾妱觿莺蛢?nèi)阻都是不變的，根據(jù)閉合電路的歐姆定律可以知道，此時電路中電流比較大。 基礎(chǔ)訓(xùn)練 １．兩個物體放在一起彼此接觸，它們?nèi)舨话l(fā)生熱傳遞，其原因是( ) A．它們的內(nèi)能相同 B．它們的比熱相同 C．它們的分子總動能相同 D．它們的溫度相同 ２．下列關(guān)于熱力學(xué)溫度的說法中，不正確的是( ) A．熱力學(xué)溫度的零度是－273。15 ℃ B．熱力學(xué)溫度的每一度的大小和攝氏溫度是相同的 C．絕對零度是低溫的極限，永遠(yuǎn)達(dá)不到 D．1℃就是1 K ３．冬天，北方的氣溫最低可達(dá)-40℃，為了測量那里的氣溫應(yīng)選用（ ） A． 水銀溫度計(jì) B．酒精溫度計(jì) C．以上兩種溫度計(jì)都可以 D．以上兩種溫度計(jì)都不行 4．在25℃左右的室內(nèi)，將一只溫度計(jì)從酒精中拿出，觀察它的示數(shù)變化情況是（ ） A．溫度計(jì)示數(shù)上升 B．溫度計(jì)示數(shù)下降 C．溫度計(jì)示數(shù)不變 D．示數(shù)先下降后上升 5．常用的溫度計(jì)是利用液體的________來測量溫度的。攝氏溫度把標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下________的溫度規(guī)定為0度。 6．體溫計(jì)的測量范圍是________，最小刻度值是________。 7．一支讀數(shù)為37。8℃的體溫計(jì)，不經(jīng)甩過，先后依次測量兩個人的體溫，若他們的真實(shí)體溫分別是36。5℃和38℃，那么這支體溫計(jì)的讀數(shù)依次是________、________。 8．液體溫度計(jì)越精確，則其玻璃泡的容積與細(xì)管的容積相差必定越（填“大”或“小”）_______________，此時玻璃泡里的液體有微小的膨脹，細(xì)管里的液柱 。 9．能不能用體溫計(jì)作為寒暑表使用？試說明理由。 多維鏈接 溫度計(jì)和溫標(biāo)的發(fā)明 公元前200一100年間，古希臘菲隆和希隆各自制造過一種以空氣膨脹為原理的測溫器。其后，人們還在三個容器中分別裝上冷、溫、熱水來判斷物體的冷熱：用手摸進(jìn)行比較。 1592或1595年，伽利略制成了第一個氣體溫度計(jì)。玻璃管與玻璃泡相連，管內(nèi)有有色液體，倒置于水杯之中。當(dāng)被測溫度的物體與泡接觸時，泡內(nèi)空氣就會因熱脹冷縮而發(fā)生體積變化，使有色液柱上升或下降，再由玻管上標(biāo)有“熱度”(即現(xiàn)在所說的“溫度”)的刻度讀出。這是有史以來的第一支有刻度的溫度計(jì)。顯然，這種溫度計(jì)不完善：變化著的大氣壓也會使液柱升降，測量范圍極其狹窄。 物理學(xué)中熱力學(xué)里有一門叫計(jì)溫學(xué)的分支學(xué)科，它是利用物質(zhì)的熱效應(yīng)來研究測溫技術(shù)的。它包括溫度分度法、溫度參照點(diǎn)的選擇、溫度計(jì)按不同用途的設(shè)計(jì)、制定各種測溫標(biāo)準(zhǔn)、提高測溫精度、準(zhǔn)確度、測定實(shí)用溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)的差值等。伽利略發(fā)明氣體溫度計(jì)后，人們的工作就大致按這些內(nèi)容進(jìn)行。 1611年，伽利略的同事?？送辛羲垢倪M(jìn)了伽利略的氣體溫度計(jì)，制成一種蛇狀玻璃管氣體溫度計(jì)，玻管上有l(wèi)lO個刻度，可測體溫。 1629年，約瑟夫德米蒂哥這位物理學(xué)家兼猶太教師出版了一本叫《花園中的噴泉》的書，書中載有盛有白蘭地的玻璃泡溫度計(jì)，它旁邊的小字上寫著“oleb”(上升)。有人認(rèn)為這是人類第一支較準(zhǔn)確的溫度計(jì)。但現(xiàn)未能查明其發(fā)明者，而只能猜測是伽利略或他在帕多瓦大學(xué)的同事德米蒂哥。具體發(fā)明年代只能大致確定在17世紀(jì)初。 1631—1632年，法國化學(xué)家詹雷伊把伽利略的玻璃管倒轉(zhuǎn)過來，并直接用水而不是空氣的體積變化來測定溫度。這是第一支用水作工作物質(zhì)的溫度計(jì)。但因管口末密封，水會蒸發(fā)而產(chǎn)生越來越大的誤差。 1641年，第一支以酒精為工作物質(zhì)的溫度計(jì)首次出現(xiàn)在意大利托斯卡納大公爵費(fèi)迪南二世的宮庭里。1644—1650年間，這位大公將其不斷完善：用蠟把紅色酒精溫度計(jì)的玻管口封位，在玻管上刻度。可見，這支溫度計(jì)已具有現(xiàn)代溫度計(jì)的雛型，以致不少人將溫度計(jì)的發(fā)明歸功于這位大公。1654年，這種溫度計(jì)已在佛羅倫薩普及，以致這一年被一些人認(rèn)為是溫度計(jì)誕生之年。它還被傳到英國和荷蘭。 1646年，意大利物理學(xué)家萊納爾第尼明智地提出以水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)作為溫度計(jì)刻度的兩個定點(diǎn)。但無奈當(dāng)時流行的酒精溫度計(jì)里酒精的沸點(diǎn)(78.5℃)低于水的沸點(diǎn)(100℃)，所以用水的沸點(diǎn)為第二個定點(diǎn)對酒精溫度計(jì)顯然不切實(shí)際，所以這一建議當(dāng)時未能實(shí)施。 1657年成立的意大利佛羅倫薩實(shí)驗(yàn)科學(xué)院在其存在的10年間地進(jìn)行了水銀和酒精溫度計(jì)的研究，制作過40(或80)個等分標(biāo)度的沒有定點(diǎn)的酒精溫度計(jì)：它在1660年冬最冷時顯示11—12“度”，冰的熔點(diǎn)顯示13.5“度”，夏天最熱時為40“度”。 1658年，法國天文學(xué)家伊斯梅爾博里奧制成第一支用水銀作工作物質(zhì)的溫度計(jì)。 1660年，意大利材料測試研究所也制成了水銀溫度計(jì)。 1665年，荷蘭物理學(xué)、數(shù)學(xué)家惠更斯地提議把水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)作溫度計(jì)刻度的兩個定點(diǎn)，以便各種溫度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。同年，英國物理學(xué)、化學(xué)家波義耳根據(jù)他于1662年發(fā)現(xiàn)的氣體定律(即玻義耳定律，后經(jīng)法國物理學(xué)家馬略特完善后稱波義耳一馬略特定律，簡稱波一馬定律)，指出氣體溫度計(jì)不準(zhǔn)的原因及其他缺點(diǎn)。其后，人們大多轉(zhuǎn)向其他工作物質(zhì)的溫度計(jì)的研究。 1672年，休賓在巴黎發(fā)明了第一個不受大氣壓影響的空氣溫度計(jì)。 1688年，達(dá)蘭西的溫度計(jì)以水和牛油熔解時的兩個溫度作溫度計(jì)刻度的兩個固定點(diǎn)。 18世紀(jì)初，形形色色的溫度標(biāo)準(zhǔn)(溫標(biāo))已多達(dá)30余種。例如，丹麥天文學(xué)家羅默(他以1676年用觀測木星衛(wèi)星蝕的方法第一次證實(shí)光的傳播是等速運(yùn)動而聞名于世)以人體溫度為22.5“度”和水的沸點(diǎn)為60“度”作溫度計(jì)上刻度的兩個定點(diǎn)。牛頓于1701—1703年制作的亞麻子油(一說蓖麻油)溫度計(jì)把雪的熔點(diǎn)0“度”和人體的溫度12“度”作溫度計(jì)的兩個定點(diǎn)。 法國物理學(xué)家阿蒙東最先指出測溫液體是規(guī)則膨脹的，“有絕對零度存在”也是他最先指出的，他于1703年也制成了一支實(shí)用氣體溫度計(jì)。 在18世紀(jì)以前，溫標(biāo)不統(tǒng)一且不太實(shí)用。這些工作歷史地落在華倫海特等人的肩上。 遷居荷蘭的德國玻璃工華倫海特也在英國居住過。他經(jīng)過1709—1714年的研究，把冰、水、氯化銨的混合物平衡溫度定為0℉，人體溫度定為96℉(如以今天我國標(biāo)準(zhǔn)體溫37℃，則應(yīng)為98．6℉，可見他采用的體溫不是今天我國的標(biāo)準(zhǔn)體溫)，其間分為96格，每格為1℉。1724年，他又把水的沸點(diǎn)定為2120℉。但遺憾的是，他未能將冰的熔點(diǎn)定為0℉，而是定為32℉。這就是華氏溫標(biāo)，其符號為tF。這是曾長期使用且至今仍在香港和世界許多地方使用的第一種溫標(biāo)。他還發(fā)明了在填充水銀時進(jìn)行凈化的方法，制成了第一種實(shí)用的水銀溫度計(jì)。 1730年，主要研究物理學(xué)和動物學(xué)的法國博物學(xué)家列奧繆爾制成了一種酒精溫度計(jì)，他把水的冰點(diǎn)0oR和沸點(diǎn)80oR刻在溫度計(jì)上作兩個定點(diǎn)，再把其問分為80格，每隔為1oR。這是其后流行了多年的第二種溫標(biāo)——列氏溫標(biāo)，其符號為tR。 1742年，瑞典物理學(xué)家、天學(xué)家攝爾修斯制成的水銀溫度計(jì)則把水的沸點(diǎn)和冰的熔點(diǎn)分別定為0℃和100℃，其間分為100格，每格為1℃，這是第三種得到廣泛流行的實(shí)用溫標(biāo)——攝氏溫標(biāo)，其符號為t或tc。1743年，克里森指出上述定點(diǎn)不符合越熱的物體溫度越高的習(xí)慣，8年以后的1750年，攝爾修斯接受同事斯特默爾的建議，把上述兩定點(diǎn)的溫度對調(diào)，這才成了現(xiàn)在的攝氏溫標(biāo)即百分溫標(biāo)。 上述三種溫標(biāo)都是初級原始的溫標(biāo)，其缺點(diǎn)有二。一是溫度值只有在兩個定點(diǎn)是準(zhǔn)確的其余各點(diǎn)都不準(zhǔn)確；二是定義范圍很窄，例如水銀溫度計(jì)測量范圍是—38．87—+356．9℃。以下第四種溫標(biāo)克服了這些缺點(diǎn)。 1848年，英國物理學(xué)家湯姆遜即開爾文提出熱力學(xué)溫標(biāo)。其符號為TK或T，并于1854年指出只需選用一個固定點(diǎn)數(shù)值，這種溫標(biāo)就能確定。這個點(diǎn)就是“絕對零度”。然而，在實(shí)際建立熱力學(xué)溫度單位時，考慮到歷史傳統(tǒng)和當(dāng)時的技術(shù)條件，他不得不用攝爾修斯的0—100℃的間隔作為100個新溫度的間隔，即新溫度的每個間隔為1開氏度(1oK)與 l攝氏度(1℃)相當(dāng)。這就是開氏溫標(biāo)。歷史上類似而含義不盡相同的名稱還有理想氣體溫標(biāo)、熱力學(xué)絕對溫標(biāo)等。這第四種溫標(biāo)的特點(diǎn)是：與任何物體的性質(zhì)無關(guān)，不受工作物質(zhì)的影響，解除了工作物質(zhì)因凝固、汽化而受到的限制，僅與熱量有關(guān)。1927年，第七屆國際計(jì)量大會確定它為最基本的溫標(biāo)。1954年大會又決定把273.16oK這一水的三相點(diǎn)作為這一溫標(biāo)的唯一定點(diǎn)。這一溫標(biāo)實(shí)際包含的另一定點(diǎn)是不能用物質(zhì)的已知性質(zhì)來定義的，它是理論上推導(dǎo)出來的最低溫度——絕對零度。1967年，第十三屆國際計(jì)量大會將這種溫標(biāo)的單位“開氏度”(oK)改為“開爾文”(K)，而前述“開氏溫標(biāo)”及“開氏溫度”被分別代之以“新國際實(shí)用溫標(biāo)”和“熱力學(xué)溫度”，我國也最終由國務(wù)院于1984年2月27日下達(dá)命令在1991年1月1日起正式施行使用。 第五種溫標(biāo)為蘭氏溫標(biāo)，在19世紀(jì)由英國工程師蘭金發(fā)明，其符號為TR，蘭氏度的符號為Ro。這種溫標(biāo)的水三相點(diǎn)約491.7Ro，水的沸點(diǎn)約671.6Ro。這種溫標(biāo)比前四種用得更少。 隨著上述攝氏，國際溫標(biāo)的建立和技術(shù)的成熟，以及實(shí)際測量的需要，人們改進(jìn)、發(fā)明了形形色色的溫度計(jì)。 1743年，法國克利斯廷在里昂改制了像攝爾修斯那樣的溫度計(jì)，這更接近現(xiàn)代溫度計(jì)。 1782年，西克斯發(fā)明了 “最高最低溫度計(jì)”，丹尼爾盧瑟福在1794年作了改進(jìn)。1782年，英國韋奇伍德．和德國塞格爾各自發(fā)明了測定火焰溫度或爐溫用的溫度計(jì)，后者的發(fā)明被稱為塞格爾測溫錐。 1821—1822年，德國塞貝克發(fā)現(xiàn)熱電(溫差電)現(xiàn)象，提出溫差電動勢序，認(rèn)識到由此可制成熱電偶即溫差電偶來測溫度。1830年便出現(xiàn)了這種溫差電偶，用它還可探測紅外線。選用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)體或半導(dǎo)體作熱電偶材料，可以測量很寬的溫度范圍(如—50—+1600℃)，若用特殊熱電偶材料，則更可擴(kuò)大到—180—2000℃，這顯然是酒精或水銀溫度計(jì)望塵莫及的。 俄國楞次和英國戴維于1835年得知金屬在受熱時電阻會增大，AF斯文貝爾格于1857年便用這一原理發(fā)明了差示溫度計(jì)(由一個接在測量電橋中的涂黑銅螺線組成)。 1860年，德國威廉西門子發(fā)明了遙測式電阻溫度計(jì)，1869年他為它加裝了一根鈉絲作測量探頭，可測更高的溫度。 19世紀(jì)60年代初，英國醫(yī)生阿爾伯特發(fā)明了現(xiàn)在仍在位用的那種體溫計(jì)：其最大特點(diǎn)是細(xì)管內(nèi)有一段特別狹窄，體溫計(jì)離開被測人體后水銀在這狹處中斷而水銀柱并不下降，可從容不迫地讀出體溫。 1881年，蘭利將涂黑的鉑帶作熱敏元件制成輻射熱測量計(jì)(或電阻測輻射熱計(jì))測量輻射熱。 其后，溫度計(jì)新品種不斷涌現(xiàn)。例如，光學(xué)高溫計(jì)(測600℃以上高溫)、光度計(jì)(測星球表面溫度)、紅外顯微鏡(測小至10—100微米的點(diǎn)的溫度)、半導(dǎo)體點(diǎn)溫度計(jì)(測點(diǎn)的溫度)、石英振子溫度計(jì)(可測低溫至250間的溫度，精度特高) 對10000℃以上的高溫，一般溫度測量法已無能為力。這時，要用原子光譜的譜線和溫度間的關(guān)系來計(jì)算出溫度。