比热容的研究方法

卷二三、实验探究题1．研究的物理量不易直接测量时，都需要想办法把它们的大小间接表示出来。例如：如图1所示，甲实验是让木块在木板上做__________运动，通过弹簧测力计的示数间接显示滑动摩擦力的大小；乙实验中钢球的动能大小是通过_________间接反映出来的。图12．图1乙是“探究物体动能的大小与什么因素有关”的实验装置。（1）通过观察_____________来判断小球动能的大小；（2）小球从不同高度滚下，目的是为了______，从而探究物体动能与______的关系；（3）换用质量不同的小球，使它们从斜面的_____（选填“相同”或“不同”）高度由静止滚下，推动木块做功，目的是为了探究动能的大小与______的关系。3．在探究“影响电磁铁磁性强弱的因素”实验中，小明制成简易电磁铁甲、乙，并设计了如图2所示的电路。图2（1）电磁铁磁性的强弱是通过观察__________________________来确定的；（2）根据图示的情境可知，____（填“甲”或“乙”）的磁性强，说明电流一定时，________，电磁铁磁性越强；（3）根据右手螺旋定则，可判断出乙铁钉的上端是电磁铁的______极；（4）电磁铁吸引的大头针下端分散的原因是____________________。4．不同的运动项目对运动鞋摩擦力的要求不同。某研究性学习小组对“不同类型的运动鞋底在相同平面上滑动时摩擦力的大小”进行了探究，如图3所示。他们先测出每只不同类型运动鞋的质量，再往质量小的鞋子里均匀摆放砝码，使鞋子（连同鞋里砝码）的质量均相等。接着用弹簧测力计先后匀速拉动不同类型的运动鞋，使它们沿水平桌面滑动，读取各次弹簧测力计的读数。图3（1）探究中“使鞋子（连同鞋里砝码）的质量均相等”，这是采用了______研究方法。（2）测量时，沿水平方向匀速拉动运动鞋，则此时运动鞋所受滑动摩擦力与弹簧测力计拉力的大小______。这种测摩擦力的方法是______（选填“直接”或“间接”）测量法。5．小明同学利用A、B两物体、砝码、泡沫等器材探究“压力的作用效果与什么因素有关”的实验。如图4所示。图4（1）实验中小明是通过观察______________来比较压力作用效果的。（2）比较甲、乙两图所示实验，能够得到的结论是______________。（3）若要探究“压力的作用效果与受力面积大小的关系”，应通过比较图______________所示实验。（4）小华同学实验时将物体B沿竖直方向切成大小不同的两块，如图5所示。他发现它们对泡沫的压力作用效果相同，由此他得出的结论是：压力作用效果与受力面积无关。你认为他在探究过程中存在的问题是______________。图5_________________________（a）____________________________（b）6．小华同学在学习做饭的过程中，经常加热油和水，她猜想油的比热容比水小，为了验证猜想，她做了以下探究实验：（1）向两个同样的烧杯里分别倒入_________________同的水和油，并测量它们的初始温度，两温度计示数相同，如图6所示，它们的初始温度为_____℃；图6（2）在同样条件下分别给水和油加热，如果在_______相同时，可以通过比较___________________来比较它们比热容的大小。7．某同学在做“比较不同物质的吸热能力”的实验时，使用相同的电加热器给水和煤油加热，得到的实验数据如下表：（1）实验中，记录加热时间的目的是：_______________。（2）分析第1、2次或第3、4次实验数据，可以得出的初步结论是：同种物质升高相同温度时，吸收热量的多少与物质的______________有关；分析第1、3次或第2、4次实验数据，可以得出的初步结论是：升高相同的温度时，_______________吸收的热量不同。（3）如果加热相同的时间，质量相同的水和煤油，__________温度升高的多。（4）该实验采用了控制变量法，下列探究过程中也采用了一这方法的是________。A．探究影响压力作用效果的因素；B．探究平面镜成像的特点；C．探究通电螺线管的磁场是什么样的。8．在做“探究物质熔化规律”的实验时，小军采用了如图7甲所示的实验装置进行实验，并将实验数据描绘成如图乙所示的图象。图7（1）由图象可知，该物质是________（选填“晶体”或“非晶体”）。（2）BC段表明该物质处于________态。（3）该物质在AB段的比热容比CD段的比热容________。9．现有一只空瓶、水、待测液体、天平和砝码。欲测出这种液体的密度，请你写出：（1）主要实验步骤及所要测量的物理量（用字母表示）： （2）待测液体的密度表达式为：_____________。

专题 初中物理科学方法在初中学习阶段，学过的常用物理方法有控制变量法、理想模型法、转换法、等效替代法、类比法、比较法、实验推理法、比值定义法、归纳法、估测法、图像法、放大法、分类法、观察法、多因式乘积法、逆向思维法、思维导图法等。1.控制变量法：当某一物理量受到几个不同物理量的影响，为了确定各个不同物理量的影响，要控制某些量，使其固定不变，改变某一个量，看所研究的物理量与该物理量之间的关系。如：研究液体的压强与液体密度和深度的关系。2.理想模型法：在用物理规律研究问题时，常需要对它们进行必要的简化，忽略次要因素，以突出主要矛盾。用这种理想化的方法将实际中的事物进行简化，便可得到一系列的物理模型。如：电路图是实物电路的模型；力的示意图或力的图示是实际物体和作用力的模型。3.转换法：物理学中对于一些看不见、摸不着的现象或不易直接测量的物理量，通常用一些非常直观的现象去认识，或用易测量的物理量间接测量，这种研究问题的方法叫转换法。如：奥斯特实验可证明电流周围有磁场；扩散现象可证明分子做无规则运动。4.等效替代法：等效的方法是指面对一个较为复杂的问题，提出一个简单的方案或设想，而使它们的效果完全相同，将问题化难为易，求得解决。例如：在曹冲称象中用石块等效替换大象，效果相同。5.类比法：根据两个（或两类）对象之间在某些方面的相同或相似而推出它们在其他方面也可能相同或相似的一种逻辑思维。如:用抽水机类比电源。6.比较法：通过观察，分析，找出研究对象的相同点和不同点，它是认识事物的一种基本方法。如：比较发电机和电动机工作原理的异同。7.实验推理法：是在观察实验的基础上，忽略次要因素，进行合理的推想，得出结论，达到认识事物本质的目的。如：研究物体运动状态与力的关系实验；研究声音的传播实验等。8.比值定义法：就是用两个基本的物理量的“比”来定义一个新的物理量的方法。其特点是被定义的物理量往往是反映物质的最本质的属性，它不随定义所用的物理量的大小取舍而改变。如：速度、密度、压强、功率、比热容、热值等概念公式采取的都是这样的方法。9.归纳法：从一般性较小的前提出发，推出一般性较大的结论的推理方法叫归纳法。如;验证杠杆的平衡条件，反复做了三次实验来验证F1 L1＝ F2 L210.估测法：根据题目给定的条件或数量关系，可以不精确计算，而经分析、推理或进行简单的心算就能找出答案的一种解题方法。它的最大优点是不需要精确计算，只要对数据进行粗略估计或模糊计算，就能使问题迎刃而解。（1）解答时应了解一些常用的物理数据：家庭照明电压值220V、每层楼高3m左右、一个鸡蛋的质量约50g、成人身高约1.60～1.80m、人体的密度约为1.0×103kg/m3、人的心跳约1秒70～80次、人体电阻约为几千～几百千欧、人正常步行的速度1.4m/s、自行车一般行驶速度约5m/s、一本物理课本的质量约230g、一张报纸平铺在桌面产生的压强约0.5Pa等。(2)记住一些重要的物理常数：光在真空中的传播速度、声音在空气中的传播速度、水的密度、水的比热容等。11.图像法：在物理学中，常采用数学中的函数图像，将物理量之间的关系表示出来。因此图像实际上反映了物理过程（如熔化图线等）和物理量的关系（如电阻的伏安特性曲线等）。运用图像知识来解物理试题的方法，叫“图像法”。运用此方法时应做到：(1)识别或认定图像横坐标和纵坐标所表示的物理量，弄清情景所描述的物理过程及其有关的因素和控制条件；(2) 分析图像的变化趋势或规律，弄清图像所表达的物理意义；(3)根据图像的变化情况确定两个物理量之间的关系，并给以正确描述或做出正确判断。12.放大法：把测量量按一定的规律放大后再进行测量的方法，称为放大法。在有些实验中，实验的现象我们是能看到的，但是不容易观察。我们就将产生的效果进行放大再进行研究。比如音叉的振动很不容易观察，所以我们利用小泡沫球将其现象放大。观察压力对玻璃瓶的作用效果时我们将玻璃瓶密闭，装水，插上一个小玻璃管，将玻璃瓶的形变引起的液面变化放大成小玻璃管液面的变化。在测量微小量的时候，我们常常将微小的量积累成一个比较大的量、比如在测量一张纸的厚度的时候，我们先测量100张纸的厚度在将结果除以100，这样使测量的结果更接近真实的值就是采取的累积放大法。要测量出一张邮票的质量、测量出心跳一下的时间，测量出导线的直径，均可用积累法来完成。13.分类法：分类法是指把大量的事物按照一定的“标准”，将其划分为不同的种类的方法。其一般步骤为:(l)确定分类依据;(2)选择分类方法;(3)正确进行分类. 如把固体分为晶体和非晶体两类、导体和绝缘体。机械运动分为直线运动和曲线运动等。14.观察法：物理是一门以观察、实验为基础的学科。人们的许多物理知识是通过观察和实验认真地总结和思索得来的。著名的马德堡半球实验，证明了大气压强的存在。在教学中，可以根据教材中的实验，如长度、时间、温度、质量、密度、力、电流、电压等物理量的测量实验中，要求学生认真细致的观察，进行规范的实验操作，得到准确的实验结果，养成良好的实验习惯，培养实验技能。大部分均利用的是观察法。15.多因式乘积法：用两个或者两个以上物理量的乘积定义一个新的物理量，这种方法叫做乘积法。例：电功、电热、热量等概念公式采取的都是这样的方法。16.逆向思维法：逆向思维是指与一般思维方向相反的思维方式，也称反向思维逆向思维也叫求异思维，它是对司空见惯的似乎已成定论的事物或观点反过来思考的一种思维方式。敢于“反其道而思之”，让思维向对立面的方向发展，从问题的相反面深入地进行探索，树立新思想，创立新形象。当大家都朝着一个固定的思维方向思考问题时，而你却独自朝相反的方向思索，这样的思维方式就叫逆向思维。例：由电生磁想到磁生电。通过熔化过程想象凝固过程；由汽化吸热想到液化放热，加快蒸发想到减慢蒸发；由升华吸热想到凝华放热。17.思维导图法：是英国著名教育专家东尼·博赞创造的一种学习方法。在学习科学过程中，以思维导图的形式将科学知识自主建构串联成网，可直观显现知识脉络，深刻领会知识间的内在联系。初中物理科学方法题考法及其解析【转换法例题1】在探究阻力对物体运动的影响时：（1）如图甲所示让小车从同一个斜面的同一高度静止释放，目的是　 　。由图可知，小车受到的阻力越小，小车运动的路程　 　。如果小车在绝对光滑的水平面上运动，小车将　 　。（2）在辨析图乙小明、小华的观点，研究力与运动的关系时，为什么设计探究阻力对物体运动的影响，而不设计探究推力对物体运动的影响，理由是　 　。（1）让小车从斜面的同一高度由静止下滑的目的是，当小车到达水平面时，使小车的速度相同；毛巾、棉布、木板粗糙程度变小，阻力变小，根据实验现象，可以得出结论，水平面越光滑，小车受到的阻力越小，在水平面上运动的距离越远；如果水平面绝对光滑，对小车没有阻力，则小车将做匀速直线运动；（2）研究阻力对小车运动的影响，需要改变接触面的粗糙程度，且对于同一接触面摩擦力一定，不同接触面，摩擦力不同，容易探究摩擦力对物体的影响，而推力，不易控制其大小且不便于测量推力的大小。【模型法例题2】下面几个研究实例中，采用了相同研究方法的是（　　）①利用光线表示光传播的径迹和方向②“探究压力的作用效果与受力面积的关系”时，保持压力不变，改变受力面积③“比较不同物质吸热的情况”时，用加热时间的长短表示吸收热量的多少④“探究物体的动能与速度的关系”时，让同一钢球从斜面的不同高度由静止滚下A．①和② B．②和③ C．②和④ D．③和④答案：C【理想化实验法例题3】测量电流时，需要将电流表串联在电路中，通常，电流表的电阻比待测电路的电阻小得多，因此对测量值的影响可以忽略不计。下列研究方法与此相同的是（　　）A．在探究平面镜成像特点实验中，用两根相同的蜡烛探究像与物的大小关系B．在探究二力平衡条件的实验中，选用轻质卡片C．根据被压物体形变大小反映压力作用效果D．在研究光的传播现象时，引入光线答案：B解析：测量电流时，需要将电流表串联在电路中，通常，电流表的电阻比待测电路的电阻小得多，因此对测量值的影响可以忽略不计，这种方法叫理想化实验法。A.在探究平面镜成像特点实验中，用两根相同的蜡烛探究像与物的大小关系时，采用的是等效替代法，故A不符合题意；B.在探究二力平衡条件的实验中，选用轻质卡片，忽略了纸片质量的影响，用到了理想实验法，故B符合题意；C.在探究影响压力作用效果因素的实验中，根据被压物体形变大小反映压力作用效果，用到了转换法，故C不符合题意；D.在研究光的传播现象时，用一条带箭头的直线来表示光线，采用的是模型法，故D不符合题意。【微小量放大法例题4】将玻璃瓶、两端开口的细玻璃管和橡皮塞组成如图所示的装置。装置内加入适量的液体，可完成如下四个实验：在这些实验的设计中，把微小变化放大以利于观察的是（　　）①验证力使物体发生形变；②观察大气压随高度的变化③观察液体的热胀冷缩：④模拟潜水艇的浮沉。A．①②③ B．②③④ C．①③④ D．①②④答案：A【控制变量法例题5】在探究“浮力的大小跟哪些因素有关”的实验中，辰辰同学和他的伙伴们做了如图所示的一系列实验．（1）①②③三次实验是为了探究浮力的大小与　　的关系，得出的结论是　　．（2）分析　　三次的实验数据，可知浮力大小与物体浸没在液体中的深度无关．（3）此实验还探究了浮力的大小与　　的关系，得出的结论是　　．（4）通过实验数据可知金属块的密度为　　kg/m3．【答案】（1）排开液体体积；在液体密度一定时，物体排开液体的体积越大，物体受到的浮力越大；（2）①③④；（3）液体密度；在排开液体体积一定的情况下，液体密度越大，物体受到的浮力越大；（4）9000．【评析】此题考查了学生比较熟悉的控制变量法，控制变量法的优点就是将复杂的问题简单化，再结合实验过程图，很容易完成看起来复杂或者是高不可攀的科学问题。

特别声明：本文为新华网客户端新媒体平台“新华号”账号作者上传并发布，仅代表作者观点，不代表新华号的立场及观点。新华号仅提供信息发布平台。量子磁性系统的相变研究近年来在理论上进展迅速，从具有拓扑序的量子自旋液体 [1]到超越朗道-金兹伯格对称性破缺理论的去禁闭量子临界点[2] 以及具有涌现连续对称性的新型一级相变[3] ，新的结果不断出现。这些理论发展对实验研究提出了新的需求和挑战，在材料的制备方面, 如阻挫磁体材料，在生长和合成上比常规材料更加困难；在物性测量方面, 理论上预测的新物态往往是在低温、高压、强磁场等极端条件下才能出现，而综合极端条件下的物性测量，如本研究采用的高压比热测量，在实验技术上具有挑战性。因而，关于量子磁性系统的新的实验研究结果无论对于理论还是实验研究都具有重要的意义。图1. (a) 由高压比热测量确定的阻挫磁体材料SrCu2(BO3)2 的压力-温度相图。(b), (c), (d), (e) 为不同压力下的比热测量的结果，其中黄色箭头指示C/T 上的鼓包对应相图 (a) 中绿色标识，代表反铁磁相互作用的起始温度。(c), (d), (e) 中更低温度的箭头所示温度分别为相图中二聚体 PS 态和反铁磁 AF 态的相变温度。近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心孙力玲研究员、郭静副研究员、孟子杨研究员、李世亮研究员等与中科院物理所/波士顿大学Anders W. Sandvik（善德伟）教授和俄罗斯科学院高压物理研究所Vladimir A. Sidorov教授组成的国际合作团队，利用高压下比热测量的方法，研究了著名的阻挫磁体材料 SrCu2(BO3)2，第一次完整的获得了该系统随压力的变化从二聚体态 (Dimer-singlet state，DS) 到四聚体态 (plaquette-singlet state, PS) 再到反铁磁态 (antiferromagnet, AF) 的基态相图，填补了20多年来对该材料研究的空白。该研究结果为理解不同基态之间的相变，尤其是四聚体态与反铁磁态之间可能存在的去禁闭量子相变提供了实验观测事实，为进一步的理论研究提供了动力。这项工作发表在最近一期 Physical Review Letters 上 [4]。SrCu2(BO3)2 是从90年代就开始研究的阻挫磁体材料 [5]，在常压下材料中的 Cu2+ 离子因为反铁磁相互作用形成自旋单态 (dimer-singlet)， 整个系统由于 inter-dimer 反铁磁相互作用强于 intra-dimer 反铁磁相互作用，处于这些自旋单态的直积态，即没有磁性的二聚体顺磁状态。如此的状态也正好是理论上著名的 Shastry-Sutherland 阻挫磁体模型的准二维材料实现 [6]。后续的实验和理论研究发现，SrCu2(BO3)2在压力下，inter- 和 intra-dimer 相互作用的相对大小可以发生变化，使得二聚体态有可能经过相变进入四聚体态，即晶格中四个最近临的自旋形成 plaquette singlet, 系统发生平移对称性破缺。但是实现探测四聚体态所需要的压力实验手段不仅十分有限， 而且对实验观测所需的压力范围在技术上十分困难。到目前为止只有稀少的核磁共振 [7] 和中子散射 [8] 在2 GPa附近进行过测量， 而且这些测量往往只在一个压力点进行，整个系统如何随着压力的增加从二聚体态到四聚体态和更大压力状态的连续变化过程尚未澄清和发现。高压比热测量是探测量子态及其相关竞争现象最直接和有效的测量方法。但由于要测量样品的尺寸远比常压小，因此在技术上充满挑战。2018年在孟子杨研究员和善德伟教授的建议下，在物理所组成了集材料制备、物性测量及理论研究为一体的研究团队。首先，由李世亮研究员和博士生洪文山制备出了高质量的SrCu2(BO3)2阻挫磁体材料单晶。然后，孙力玲研究员与郭静副研究员及Sidorov教授等利用经过多年的努力研制出的可以在较大压力范围内进行材料比热测量的实验平台，对该材料进行了系统的研究，突破了量子相变研究比热测量技术壁垒。研究发现，在压力小于 1.8 GPa 时系统处于 DS 态，1.8 GPa ~ 2.5 GPa 时进入 PS 态，而当压力大于 ~ 2.5 GPa 之后系统进入全新的反铁磁态。值得一提的是，此处的反铁磁转变温度在 ~ 4 K 的作用能量尺度，与C/T 中看到的鼓包和系统本征反铁磁相互作用的能量尺度吻合，纠正了之前文献中认为高压下反铁磁转变温度高达 ~ 100 K 这种不自洽的认识。图2：为配合 SrCu2(BO3)2 实验结果，研究人员设计了二维和三维 checkerboard J-Q 自旋模型，并运用大规模量子蒙特卡洛模型计算了该模型在不同参数下的热力学行为。如（c）所示，比热计算的结果在 PS 和 AF 相中，与实验观测结果高度吻合。为了更好地解释 SrCu2(BO3)2 实验结果，善德伟教授，孟子杨研究员，中科院物理所研究生孙光宇、博士后马女森等人，设计了二维和三维 checkerboard J-Q 自旋模型来研究实验观测中从 PS 态到 AF 态的相变，并运用大规模量子蒙特卡洛模型计算了该模型在不同参数下的热力学行为。如图2 (c) 所示，在三维的 Checkerboard J-Q 模型计算中，PS 态和 AF 态中的 C/T 数据，都具有随着温度的降低首先出现鼓包，然后出现热力学相变对应的小峰的信号，与实验观测吻合。从理论上讲，本研究的实验结果为下一步详细研究 PS 态到 AF 态之间的量子相变，和可能出现的去禁闭量子临界现象、分数化元激发等等量子物质科学新范式的代表性行为的材料实现，提供了切实的支持。该项研究得到了科技部、国家自然科学基金、中科院B类先导专项和松山湖材料实验室以及香港特别行政区研究资助局的支持。研究工作中进行的大规模量子蒙特卡洛并行计算，在中科院物理所量子模拟科学中心、国家超级计算天津中心的天河一号平台、国家超算广州中心天河二号平台上进行，并得到相关单位有力支持和配合。相关工作链接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.124.206602参考文献： [1] Quantum Spin Liquid with Even Ising Gauge Field Structure on Kagome Lattice,Yan-Cheng Wang, Xue-Feng Zhang, Frank Pollmann, Meng Cheng, Zi Yang Meng,Phys. Rev. Lett. 121, 057202 (2018)[2] Dynamical Signature of Fractionalization at the Deconfined Quantum Critical Point, Nvsen Ma, Guang-Yu Sun, Yi-Zhuang You, Cenke Xu, Ashvin Vishwanath, Anders W. Sandvik, Zi Yang Meng, Phys. Rev. B 98, 174421 (2018) Editors' Suggestion[3] Symmetry-enhanced discontinuous phase transition in a two-dimensional quantum magnet, Bowen Zhao, Phillip Weinberg, Anders W. Sandvik, Nature Physics 15, 678-682 (2019)[4] Quantum Phases of SrCu2(BO3)2 from High-Pressure Thermodynamics, Jing Guo ,Guangyu Sun, Bowen Zhao, Ling Wang, Wenshan Hong, Vladimir A. Sidorov, Nvsen Ma, Qi Wu, Shiliang Li, Zi Yang Meng, Anders W. Sandvik, and Liling Sun, Phys. Rev. Lett. 124, 206602 (2020)[5] Exact Dimer Ground State and Quantized Magnetization Plateaus in the Two-Dimensional Spin System SrCu2(BO3)2,H. Kageyama, K. Yoshimura, R. Stern, N. V. Mushnikov, K. Onizuka, M. Kato, K. Kosuge, C. P. Slichter, T. Goto, and Y. Ueda, Phys. Rev. Lett. 82, 3168 (1999)[6] Exact ground state of a quantum mechanical antiferromagnet, B.Sriram Shastry, BillSutherland, Physica (Amsterdam) 108B, 1069 (1981)[7] A Novel Ordered Phase in SrCu2(BO3)2 under High Pressure, Takeshi Waki, Koichi Arai, Masashi Takigawa, Yuta Saiga, Yoshiya Uwatoko, Hiroshi Kageyama, and Yutaka Ueda, J. Phys. Soc. Jpn. 76, 073710 (2007)[8] 4-spin plaquette singlet state in the Shastry-Sutherland compound SrCu2(BO3)2, M. Zayed et al., Nat. Phys. 13, 962 (2017).编辑：fengyao来源：新华号 中科院物理所

摘要：本文针对测试定形相变材料热性能的ASTM C1784动态热流计法（DHFM），采用基于Modelica语言的SimulationX软件，建立测试热焓和比热容的模拟仿真模型，对测试方法开展更深入的研究。通过对不锈钢和沙子样品材料的测试模拟仿真，优化了试验参数，使得动态热流计法更容易被理解、掌握和推广应用。关键词：定形相变材料 热性能 动态热流计法 热焓 比热容 导热系数1. 概述随着建筑节能以及能量存储的需要，相变材料技术得到了飞速发展，出现了各种新型的定形相变复合材料，而定形相变复合材料的热焓、比热和导热系数等是相变材料设计、研制和生产过程中的重要物理性能参数。为了保证新型定形相变材料的热物理性能测试的准确性，ASTM 在2013年制定了一个新的测试标准：ASTM C1784-13“采用热流计装置测量相变材料及其产品储热特性的标准测试方法”，并在2014年颁布的修订版。ASTM C1784方法是一种基于传统稳态热流计法隔热性能测试技术（HFM）的动态测试方法，称之为动态热流计法（DHFM），是为了解决板状大尺寸相变材料热性能测试的一种实验室级别测试方法，样品尺寸一般为边长100~300 mm之间的正方形板材，这种尺寸易于从定形相变复合材料实际板材中取样测试，与DSC测试中毫克量级样品形式相比更具有材料的代表性。本文针对测试定形相变材料热性能的ASTM C1784动态热流计法（DHFM），采用基于Modelica语言的SimulationX软件，建立测试热焓和比热容的模拟仿真模型，对测试方法开展更深入的研究。通过对不锈钢和沙子样品材料的测试模拟仿真，优化了试验参数，使得动态热流计法更容易被理解、掌握和推广应用。　　2. 动态热流计法基本原理动态热流计法（DHFM）是基于传统稳态热流计法（HFM）测量仪器上的一种动态测试方法，在稳态时可测量样品的导热系数，在动态时可测量样品的热焓和比热容。如图2-1所示，动态热流计法测试仪器结构与稳态热流计法测试仪器基本相同，不同之处是在样品的上下两面都安装有热流传感器，而且上下加热板的温度变化使用相同且同步。图2-1 动态热流计法测量原理按照ASTM C1784规定，两个热板为台阶式升降温方式，如图2-1所示，当样品和上下热板在初始温度T1时达到稳态，将上下两个热板台阶式升温到另一个温度T2并达到恒定。这个温度变化过程中的测量不再时稳态测量而是非稳态测量，但记录了样品两侧的温度和热流密度随时间的变化，经过一定时间后两个均热板再次冷却到初始温度T1，这是一个典型的台阶式升降温测试过程。在此温度变化ΔT范围内，样品吸收的总热焓Δh可以通过对热流密度进行时间积分计算得到，而热容Cp则等于Δh/ΔT。3. 测试仿真模型和参数为了建立仿真模型进行瞬态分析计算，使用了SimulationX软件。SimulationX是基于Modelica语言模型的一维仿真软件之一，而Modelica是基于模型设计的基础设计研究的语言模型之一，采用模块式结构可以非常快速的设计仿真模型，仿真模型的物理意义直观和明确，能完美结合传统的热阻网络分析方法，非常适合瞬态传热的快速仿真计算，较传统的有限元瞬态分析方法的速度大为提高，可以在几秒内完成整个瞬态传热过程的模拟分析计算。在采用SimulationX建模中，样品尺寸设置为300 mm×300 mm×20 mm，初始温度为20℃，对样品的两个表面按照相同的温度波形程序同时进行加热到30℃。建模分析中采用了两种典型材料，其中不锈钢304的热物性参数分别是：导热系数为14.9 W/mK，比热容为0.477 J/gK，密度为7900 kg/m3。沙子的热物性参数分别是：导热系数为0.60 W/mK，比热容为0.80 J/gK，密度为1515 kg/m3。4. 无热损情况下的模仿仿真首先在无热损的理想条件下对准稳态法进行仿真模拟。在无侧向热损条件下，分别有两个热流计检测进出样品的热流量大小，同时假设样品是中心截面对称，并不考虑样品侧面的边缘热损。由此采用SimulationX软件设计的仿真模型如图4-1所示，分别模拟仿真不锈钢和沙子两种典型不同导热系数材料的比热容动态热流计法测试过程，计算得到比热容结果。最终将模拟仿真计算结果与设定的参数值进行比较，由此考核动态热流计法在理想情况下的测量准确性和合理的试验方法。图4-1 使用SimulationX软件建立的无侧4.1. 不锈钢比热容测量的模拟计算首先对不锈钢304材料进行模拟仿真计算，按照ASTM标准方法规定，加热采用一个方波形式。在方波加热过程中，方波加热时温度变化，以及仿真模拟计算得到的不锈钢样品中心温度和进出样品的热流变化如图4-2所示。通过对上述热流随时间变化曲线按照时间进行积分，最终得到此波形加热过程中的单位质量不锈钢样品的热焓值变化曲线，如图4-3所示。图4-2 矩形加热波形时不锈钢样品温度和图4-3 矩形加热波形时单位质量不锈钢样根据图4-3所示的模仿仿真结果，可以计算出20~30℃温度范围内不锈钢平均比热容为0.450 J/gK，与设定值0.477 J/gK的相对误差为5.7%。通过图4-2所示的热流量随时间变化曲线可以看出，对热流量变化曲线进行积分相当于求此曲线相对于时间坐标轴所包含的面积，而对图4-2中如此突变的尖峰信号进行积分，由于时间间隔选取不可能无限小，这势必会带来积分误差，由此可见，对于方波加热形式，温度的突变是造成仿真计算误差的直接原因。在试验测试过程中，由于数据采集速度不可能很快，时间间隔也不可能非常小，这同样会带来相应测量误差。4.2. 沙子比热容测量的模拟计算同样，在方波加热过程中，计算得到的沙子样品中心温度和进出样品的热流变化如图4-4所示。通过对上述热流随时间变化曲线按时间进行积分，最终得到此波形加热过程中的单位质量沙子样品的热焓值变化曲线，如图4-5所示。图4-4 矩形加热波形时沙子样品温度和热图4-5 矩形加热波形时单位质量沙子样品根据图4-5所示的模仿仿真结果，可以计算出20~30℃温度范围内沙子平均比热容为0.750 J/gK，与设定值0.80 J/gK的相对误差为6.3%。4.3. 改变加热波形的模拟计算结果鉴于上述方波加热波形仿真计算结果有较大误差，对于304不锈钢材料样品，将加热波形调整为梯形，如图4-6中的红线所示，用时30分钟温度从20℃线性升温到30℃后恒温40分钟，然后按照相同的变温速率用时30分钟再降到20℃。图4-6 改变加热波形后的不锈钢样品温度在这种加热波形下，计算得到的样品中心温度和进出样品的热流变化如图4-6所示。通过对上述热流随时间变化曲线按照时间进行积分，最终得到此波形加热过程中的单位质量不锈钢样品的热焓值变化曲线，如图4-7所示。图4-7 梯形加热波形时单位质量不锈钢样根据图4-7所示的模仿仿真结果，可以计算出20~30℃温度范围内的304不锈钢平均比热容为0.473 J/gK，与设定值相比没有误差，这说明通过改变加热波形，降低加热温度突变速率，可显著提高积分计算精度，大幅度减少最终计算结果误差。同样，对于沙子材料样品，将加热波形调整为梯形，如图4-8中的红线所示，用时30分钟温度从20℃线性升温到30℃后恒温40分钟，然后按照相同的变温速率用时30分钟再降到20℃。图4-8 改变加热波形后的沙子样品温度和在这种加热波形下，计算得到的样品中心温度和进出样品的热流变化如图4-8所示。通过对上述热流随时间变化曲线按照时间进行积分，最终得到此波形加热过程中的单位质量样品的热焓值变化曲线，如图4-9所示。图4-9 梯形加热波形时单位质量沙子样品根据图4-9所示的模仿仿真结果，可以计算出20~30℃温度范围内的平均比热容为0.799 J/gK，与设定值相比没有误差，这说明通过改变加热波形，降低加热温度的突变速率，可显著提高积分计算精度，大幅度减少最终计算结果误差。5. 有热损条件下的模仿仿真上述仿真模拟是假设样品侧向无热损，而在实际测试条件下，样品侧面尽管采用了低导热材料进行防护，但还是存在侧向热损。为此，针对热流计法导热仪结构建立带热损效应的仿真模型，如图5-1所示。图5-1 使用SimulationX软件建立的存在其中假设样品侧向热防护材料为软木，软木导热系数为0.048 W/mK，比热容为2.03 J/gK，密度为86 kg/m3，软木截面积为300 mm×20 mm，厚度为50 mm，软木的外侧温度始终保持为20℃。考虑到样品的四个侧面都有软木隔热材料，所以侧面仿真模型中的软木尺寸应为截面积为300 mm×80 mm，厚度为50 mm。为了便于观察热损的影响，对沙子样品进行了有热损情况下的模拟仿真计算，结果如图5-2所示。从图5-2中可以看出，当有侧向热损存在时，样品达到热平衡后，焓值随时间的变化并未呈水平方向的曲线形式，而是向上倾斜，而且焓值要比无热损时要大（误差将近10%左右），这证明其中有一部热量被侧向热损带走，因此在实际测试中要对测试曲线进行侧向热损修正。图5-2 沙子样品有热损、无热损和修正后从图5-2中的修正后结果可以看出，修正后的结果与无热损计算结果完成重合，修正后的比热容为0.80 J/gK，与设定值0.8 J/gK的相对误差基本为零。同样，对不锈钢样品进行有热损存在时的模拟仿真计算结果证明也存在相同规律，如图5-3所示，修正后的误差基本为零。图5-3 不锈钢样品有热损、无热损和修正6. 结论综上所述，采用SimulationX软件的动态仿真模拟，计算了不锈钢和沙子材料的热焓和比热容动态热流法测量结果，由此可得出以下结论：（1）采用动态热流计法以及相应的修正手段，可以准确测量样品的热焓和热容随温度的变化，证明了ASTM C1784的有效性。（2）在动态热流计法实际应用中，并不能完全采用ASTM C1784中规定的方波加热方式，因为这种突变型的变温方式会对测量数据处理带来较大误差，更准确的变温方式应为变化较缓慢的梯形的升降温方式。（3）动态热流计法本质上还是属于一种稳态法，只是将大的温度区间分割为许多个小温度区间进行测试，按照ASTM中的规定，单个测试温度区间一般设定为1.5℃±0.5℃，由此来覆盖相变材料的相变温度变化范围，由此带来的问题就是测试时间十分漫长，通过上述仿真分析也得到了证明这个特点。龙华塔雪景-上海

2019—2020学年第一学期期中教学质量调研试卷九年级物理注意事项：1．本试卷共6页，五大题，21小题，满分100分，考试时间60分钟。请用钢笔或圆珠笔直接答在试卷上。2．答卷前将密封线内的项目填写清楚。1．20世纪初科学家发现，原子也有进一步的结构，它的中心是原子核，在原子核周围，有一定数目的电子在高速运动。电子是带负电荷的粒子，所带电荷量为1.6×10↑（－19）C。其中单位C是为了纪念科学家________而用他的名字来命名的。如果把分子看成球体，一般分子的直径大约为10↑（－10）________。一、填空题（本题共6小题，每空2分，共28分）2．如下左图所示，用酒精灯对带有木塞的试管内的水加热。过一会儿，管内的水蒸气将木塞冲开，这就是________机的工作原理。此过程的能量转化方式类似于汽油机的________（选填“吸气”、“压缩”、“做功”或“排气”）冲程。3．一壶水在炉火上加热，水温升高，其内能______（选填“增大”、“不变”或“减小”），这是通过______方式改变其内能的。质量为2kg的水温度升高10℃，水吸收的热量为______J。[c↓水＝4.2×10↑3J/(kg·℃)] 4．丝绸摩擦过的玻璃棒带______电，将它与物体乙靠近，发现物体乙被吸引，将物体乙靠近物体甲，发现物体甲被排斥，则物体甲带______电荷。5．上右图是小明同学“荷花节”到会盟银滩看荷花时拍摄的两幅照片。他在游玩时感到荷花清香扑鼻，这是由于花香的分子在做______；同时他看到荷叶上的许多露珠在微风的吹动下滚动，最后成为一个大的水珠，这是由于______的作用；他在水边游玩时，感到比在门口沙地上凉爽，这是由于______的原因。6．学习物理有时候需要将某些相同的事项在一定的条件下进行归纳合并。如，“蒸发”和“沸腾”都是液体变成气体，所以归纳为两种形式的“汽化”。根据这一思维，你认为电路的基本组成的“电源、开关、用电器和导线”中，哪些元件可以进一步归纳合并：______。你的根据是______。二、选择题（本题共8小题，每小题3分，共24分。请将其字母代号填入题后的括号内。第7～12题每小题只有一个选项符合题目要求；第13～14题每小题有两个选项符合题目要求，全部选对的得3分，选对但不全的得1分，有错选的得0分）7．在国际单位制中，热量的单位是 【 】A．J B．J/（kg·℃）C．J/kg D．A8．下列常见的现象中，能量转化的描述正确的是 【 】A．弯折铁丝——内能转化为机械能B．保温瓶的瓶盖蹦起——机械能转化为内能C．燃料燃烧——化学能转化为内能D．干电池供电——电能转化为化学能9．下列有关热机的说法不正确的是 【 】A．热机工作的过程是将燃料燃烧获得的内能转化成机械能的过程B．可以采用增大热机功率的方法来增大热机的效率C．为了防止热机过热，通常用水来降温，是利用水的比热容大的特性D．热机的大量使用会造成环境污染10．在下图中，能直接测量通过灯L↓1电流的电路是 【 】A B C D11．单缸四冲程柴油机铭牌上标有“3000r/min”，则以下说法不正确的是 【 】A．在压缩冲程中，是内能转化为机械能B．在工作过程中，柴油机每秒钟完成 100 个冲程，做功 25 次C．只有做功冲程是燃气对外做功D．汽油机和柴油机的点火方式不同12．下列有关热机效率的说法中，正确的是 【 】A．热机所用燃料的热值越大，效率越高B．热机的内能转化为热机的机械能越多，效率越高C．如果改进技术，汽油机的效率可以达到100%D．蒸汽机、汽油机和柴油机的热机效率分别是η↓1、η↓2和η↓3，则三者效率一样13．（双选）下列说法正确的是 【 】A．比热容是物质自身的性质，与物体的质量、吸收或放出的热量均无关B．热量总是从内能大的物体传递给内能小的物体C．快速压缩气体，可使气体内能增大，温度升高D．实验室里常用验电器来测量物体带电的多少14．（双选）下列说法中不正确的是 【 】A．只要电路中开关闭合，电路中就有电流B．人们把正电荷定向移动的方向规定为电流的方向C．能够导电的物体叫做导体D．家庭电路中的用电器大多是并联在电路中的三、作图题（本题共2小题，每小题3分，共6分）15．如图所示，两个小灯泡的两端分别连在一起，然后接在电路中，请在右边空白处画出此电路的电路图。16．小菲同学在使用电流表测量某电路中通过小灯泡的电流时，测得电流为0.8A。请你在图中所示电流表的示意图中，用笔画线标出此时电流表指针所指的位置。四、实验探究题（本题共3小题，第17题4分，第18题8分，第19题8分，共22分）17．如图所示，在相同的两只烧杯中分别放入质量相同的冷水和热水，各滴入一滴红墨水，小王他们发现，温度高的那杯水中的颜色变化得快一些。他们通过分析、归纳、总结，得出分子的运动快慢和温度之间的关系。（1）通过实验得出的结论是：________，分子的无规则运动越剧烈。（2）实验过程中，用相同的烧杯，放入质量相同的冷水和热水，各滴入一滴红墨水，所运用的一种研究方法是：________。（3）实验过程中，______（填“能”或“不能”）用玻璃棒搅动杯中的水，其原因是_________。18．在探究“比较不同物质吸热能力”的实验中，用两套相同的装置及分别盛有水和色拉油的两个试管固定在铁架台上，温度计与试管内的水和色拉油良好接触，如图所示。（1）试管中加入的水和色拉油除初温相同外，还应保证________ 相同。（2）实验中物质吸热的多少是通过________来反映的。（3）由于没有直接测量比热容的仪器，因此这个实验是通过观察________的变化来比较比热容的大小。（4）小明测得物质升高一定的温度时所需的加热时间如表，根据表中数据可得：质量相同的水和色拉油，升高相同的温度，________吸热多一些。19．如图所示，把两个小灯泡L↓1、L↓2串联接入电路中研究串联电路特点。（1）在连接电路时，开关必须______；开关闭合并且两灯都发光时，取下其中一个灯，可观察到______的现象；（2）此现象说明了串联电路中各用电器______（选填“相互”或“互不”）影响这一特点；（3）如果将开关分别接在ab、cd、ef之间进行实验，发现开关的作用______；（4）另一组在实验时，闭合开关，发现两灯泡都不亮，为了查找故障，用一根导线连接b、c两点时，灯L↓1不亮而L↓2亮，则电路发生的故障是______。五、综合应用题（本题共2小题，每小题10分，共20分）20．下表是一些常见燃料的热值：（1）煤气热值的物理意义是：____________。（2）如果燃烧干木柴跟燃烧煤油放出的热量相等，干木柴的质量应该等于煤油质量的几倍？请列出相关计算式来说明理由。（3）燃料很难完全燃烧，因此放出的热量往往比按热值计算出来的要小，而且有效利用的热量又比放出的热量要小。请问减少的热量是如何损失的？21．认真观察下图，分析并解答后面的问题：甲 乙 丙（1）为了保障电路安全，开关S↓1、S↓2和S↓3________。（2）当只闭合S↓3时，若电流表A↓1的示数为0.5A，则通过L↓1的电流为多少安？（3）如果只闭合S↓1、S↓2，电流表A↓1的示数为0.5A，电流表A↓2示数如图乙所示，则通过L↓1的电流为多少安？

1、（2019·凉山）某实验小组做“测量小灯泡电功率”的实验，电路如图甲所示，已知电源电压为3V，小灯泡的额定电压为2.5V。（1）闭合开关前，滑动变阻器的滑片P应置于____（选填“A”或“B”）端，目的是_____。（2）实验中，闭合开关，发现电压表指针反偏，其原因是___________。（3）排除电路故障后，闭合开关，移动滑片P到某位置时，电压表的示数为2.2V，若想测量小灯泡的额定功率，应将滑片P向______（选填“A”或“B”）端移动；当小灯泡正常发光时，电流表的示数如图乙所示，为______A，则小灯泡的额定功率为____W。2、（2019·巴彦淖尔）在“观察水的沸腾”实验中，如图甲所示，在烧瓶中加入200g水，加热并从90℃开始记录温度，每隔1min记录一次温度计的示数，直到水沸腾一段时间为止。数据记录表格如下：（1）水在沸腾过程中吸收热量，温度______。（2）水沸腾时，瓶口不断冒出“白气”，该现象的物态变化名称是______。（3）若不考虑水的质量损失，从开始记录温度到水刚沸腾的过程中，水吸收的热量为______J[c水＝4.2×103J/（kg℃）。（4）完成实验后，移走酒精灯，当水停止沸腾时，用连有注射器的橡皮塞塞住烧瓶口，然后向外拉注射器活塞，如图乙所示，会看到烧瓶中的水重新沸腾起来，这是因为_________。3、（2019·安徽）图甲为伏安法测电阻的实验电路图。 （1）闭合开关前，滑动变阻器的滑片P应置于________（选填“a”或“b”）端； （2）小亮同学用完好的器材按图甲正确连接好电路，“试触”时，发现电流表的指针偏转很小；移动滑动变阻器的滑片，发现指针偏转仍然较小。产生该现象的原因可能是：________； （3）电路调试完成后，某次实验中电压表和电流表示数如图乙和丙，则此时被测电阻两端的电压为________V，该电阻的阻值为________Ω。 4、（2019·福建）如图，“验证阿基米德原理”的实验步骤如下：①用弹簧测力计测出物体所受的重力G（图甲）；②将物体浸没在水面恰好与溢口相平的溢水杯中，用空的小桶接从溢水杯里被物体排开的水，读出这时测力计的示数F（图乙）；③测出接水后小桶与水所受的总重力G1（图丙）；④将小桶中的水倒出，测出小桶所受的重力G2（图丁）；⑤分别计算出物体受到的浮力和排开的水所受的重力，并比较它们的大小是否相同。回答下列问题：（1）物体浸没在水中，受到水的浮力F浮＝_____，被排开的水所受的重力G排＝_____　。（用上述测得量的符号表示）（2）指出本实验产生误差的原因（写出两点）：（a）___________________；（b）___________________。（3）物体没有完全浸没在水中，____（选填“能”或“不能”）用实验验证阿基米德原理。5、（2019·淮安）如图所示，用焦距为10cm的凸透镜，探究凸透镜的成像规律。（1）为能清楚观察到实验现象，实验环境应 _______ （选填“较亮”或“较暗”）一些。（2）组装、调整实验器材时，烛焰和光屏的中心应位于凸透镜的 _______ 上。（3）蜡烛距离凸透镜40cm，移动光屏，可找到一个清晰、倒立、______ （选填“放大”、“等大”或“缩小”）的实像；生活中常用的 ______ （选填“照相机”、“投影仪”或“放大镜”）是利用此原理工作的。（4）更换焦距为30cm的凸透镜，保持图中蜡烛和凸透镜的位置不变，在光具座上移动光屏，______ （选填“能”或“不能”）找到像清晰的位置，原因是 _______ 。6、（2019·宿迁）图甲为测定额定电压为“2.5V”小灯泡电功率的实验电路，电源电压恒为3V不变。（1）请用笔划线代替导线，将图甲中的实物图连接完整。（2）闭合开关前，滑片应移到滑动变阻器的最______端（选填“左”或“右”）。（3）正确连接好电路，闭合开关，发现灯泡不亮，电流表有示数，电压表无示数；移动滑片，发现除了电流表示数改变外，其余均无变化。经检查，电压表完好，则故障可能是小灯泡______（选填“短路”或“断路”）。（4）排除故障后，移动滑片，实验小组记下多组对应的电压表和电流表的示数，并绘制成图乙所示的I－U图象，由图象可计算出小灯泡的额定功率为______W。（5）实验过程中，当电压表示数为1V时，滑动变阻器连入电路的阻值为______Ω。7、（2019·鄂州）在探究“影响压力作用效果的因素”实验中，某小组同学利用小桌、砝码、海绵等物品在水平桌面上进行探究。（1）实验中用___________反映压力的作用效果，采用了转换法。（2）比较甲、乙两图的实验可以得出______________________；比较丙图和___________图，可以得出压力一定时，受力面积越小，压力的作用效果越明显。（3）本实验还采用了___________的研究方法。8、（2019·泰州）如图甲所示是“探究不同物质吸热升温的现象”实验装置，小华用两个相同的容器用虚线框表示）分别装入质量相等的A、B两种液体，用相同的装置加热.（1）从实验效果考虑，本实验选择_________（烧杯/）作为盛放液体的容器较好，实验中使用玻璃棒的目的是_________。（2）两种液体吸收热量的多少可通过_________（液体升高的温度/加热时间）比较。（3）根据实验数据绘制的温度与时间的关系图像如图乙所示，分析图像可知：质量相等的A和B两种液体，在升高相同温度时，_________（A/B）吸收的热量较多；质量相等的A和B两种液体，在吸收相同热量时，_________（A/B）升温较高。（4）冬天，小华想自制一个暖手袋，若只能从A或B中选一种液体装入暖手袋中作为供热物质，则应选择_________（A/B）.9、（2019·连云港）小明为了测量樱桃酒的密度，实验过程如下：（1）将空烧杯放在天平上，测出其质量为48g；（2）在烧杯中倒入适量的水，将水面的位置标记在烧杯壁上。将盛有水的烧杯放在天平上，测出其质量为128g，则烧杯中水的体积为______cm3。（3）将水倒出，在烧杯中倒入樱桃酒至标记处，将此烧杯放在天平上，天平平衡时，右盘中砝码质量和游码的位置如图所示，则烧杯和樱桃酒的总质量为______g；（4）计算得出樱桃酒的密度为______kg/m3。10、（2019·武汉）某同学为进一步了解“视力矫正”的原理，利用如图所示的探究凸透镜成像规律的装置做了实验。他在发光体和凸透镜之间放置不同类型的眼镜片，观察到了如下现象。（1）将近视眼镜片放在发光体与凸透镜之间，光屏上原来清晰的像变模糊了；使光屏（填“靠近”或“远离”）透镜，又能在光屏上看到发光体清晰的像。由此可知，在近视眼得到矫正之前，物体的像成在视网膜的（填“前方”或“后方）。（2）取下近视眼镜片，重新调整光屏的位置，使它上面的像再次变得清晰，然后将另一个远视眼镜片放在发光体和凸透镜之间，光屏上原来清晰的像又变模糊了；再使光屏（填“靠近”或“远离”）透镜，又可以在光屏上看到发光体清晰的像。这说明矫正远视眼的眼镜片对光有作用。11、（2019·毕节）在“测量小灯泡的电功率”的实验中，实验室提供的器材有：小灯泡（额定电压为2.5V，正常发光时灯丝电阻约为9Ω）、电源（电压恒为6V）、电流表、电压表、滑动变阻器、开关各一个，导线若干。（1）小杨同学检查器材完好后，按图甲所示的电路图连接电路，闭合开关前，滑动变阻器的滑片P应置于____（选填“A”或“B”）端。（2）当闭合开关时，发现电流表指针偏转情况如图乙所示，造成这种现象的原因是____。（3）小杨同学纠正了错误，正确连接好电路，闭合开关，发现小灯泡不亮，但电流表、电压表均有示数，请分析出现这种现象的原因是_____。（4）为测量小灯泡的额定功率，接下来的操作应该是调节滑动变阻器_____，读出并记录电流表的示数。（5）当电压表的示数如图丙所示，电路中的电流为0.3A时，则小灯泡的实际功率为___W。12、（2019·黄石）如图所示，在一个标准大气压下，用1m长玻璃管做托里拆利实验，管中水银柱高度为_______mm。（1）假定移动玻璃管的过程均不漏气，请描述玻璃管内水银柱高度的变化情况。（选填“升高”、“不变”或“降低”）将玻璃管倾斜放置，水银柱的高度将___________，将玻璃管向上提升一点，水银柱高度将_________。（2）如果用水来代替水银做实验，水_______（选填“会”或“不会”）充满玻璃管，若管口刚好在水面上且保证不漏气，此时玻璃管内底部的压强__________Pa。（g=10N/kg，结果用科学记数法表示，保留一位有效数字）13、（2019·云南）学习小组的同学用如图13甲所示的装置探究某种晶体熔化时温度变化的规律。（1）如图甲的器材组装有一不当之处是____。实验中使品体受热均匀的措施是_____（写出一条即可）。（2）待温度升高到40℃开始，每隔1min记录一次温度计的示数，根据记录的数据得到如图乙的图象，则该晶体的熔点是___℃，熔化经历了___min，该物质在固态时的比热容_____液态时的比热容（选填“大于”、“小于”或“等于”）。（3）另一小组的同学发现，在晶体熔化过程中撤去精灯，晶体还会继续熔化，原因是_____品体可以继续_____热量（选填“吸收”或“放出”）14、（2019·湘潭）如图所示，用微小压强计探究液体内部压强的特点。（ρ盐水＞ρ水）（1）实验中，将液体内部的压强大小转换为用U型管两侧液面的来表示。（2）为了使实验现象更明显，U形管中的液体最好用（选填“有色”或“无色”）。（3）将探头放在图乙所示液体内部的A、B位置，观察到U型管两侧液面的高度差hB＞hA，经过多次实验观察到同样的现象，这说明同种液体内部的压强随的增加而增大。（4）将探头放在图乙中所示液体内部等深的B、C位置，观察到U型管两侧液面的高度差hChB（选填“＜”、“＝”或“＞”），这是为了研究液体压强与液体　 　关系。（5）由以上实验可知图乙所示液体内部A、B、C、D四个位置压强最大的是位置。15、（2019武汉）某同学利用如图所示的实验装置探究什么情况下磁可以生电。（1）实验时应将电流表、导线ab串联起来组成______回路。 （2）该同学进行以下尝试，能使电流表指针偏转的是______（填字母标号）。A．导线ab在磁场中静止，换用磁性更强的蹄形磁体B．导线在磁场中静止，但不用单根导线ab，而用匝数很多的线圈C．蹄形磁体静止，导线ab从图中所示位置水平向左或水平向右运动D．蹄形磁体静止，导线ab从图中所示位置竖直向上或竖直向下运动E．蹄形磁体静止，导线ab从图中所示位置斜向上或斜向下运动 （3）如图所示的实验装置中，将电流表换成____进行触接，还可以探究电动机的工作原理。 2019全国各地中考物理计算题汇编

从第一台实用性工业蒸汽机的发明到现在，纽科门大概不会想到，300多年后的世界，人类获取能源的方法居然还是——烧开水！烧开水很简单，却也很复杂。早在一万五千年前，人类烧开了水把食物煮熟，到现在人类烧开了水产生电，人类对于烧开水可以说是非常熟练了。人类的能源史翻开来一看，满页都写着烧开水、烧开水、烧开水……我们为什么要把烧开水的科技树点满了？先理性分析一下。我们获得电力的方式主要有这么几种：化石能源：煤、石油、天然气。这些化石能源通过燃烧产生热能，把水烧开，用汽轮机推动机械产生电。核能：通过核裂变反应释放出大量能量，用这些能量把水烧开，使其成为高压蒸汽，推动机械，即烧开水。风电水电：新型可再生能源，直接通过自然力带动机械发电，占比小，产生的电力也少。太阳能：新型可再生能源，大多数的太阳能使用方法都是通过太阳能板直接将太阳能转化为电能。部分是直接利用反射板，去反射太阳光，将太阳光集中到中心的塔上加热高沸点的油，然后换热产生蒸汽，即，烧开水。地热：新型可再生能源、利用地热烧开水。其他方法：如生物质能之类的，也大多都是用烧开水的方法来发电。再来看世界能源结构图：可以看出，不论是发达国家还是发展中国家，化石能源，也就是烧开水的那部分都占了80%左右，再加上核能和其他烧开水的形式，烧开水形式占到了90%以上。为什么人类这么热衷于烧开水呢？为什么，因为效率啊，人类发现无论是磁流体发电，还是温差电偶供电，这些不烧水的技术，相比之下还是烧开水的效率更高（磁流体发电本身的效率只有20%，但是其排烟温度很高，可以用来烧水，联合循环发电，热效率有50%~60%）。水真的是很神奇的东西。地球是一个名副其实的大水球，水是地球表面数量最多的天然物质，覆盖了地表的71%以上。而且水的比热容很大，再常见物体里，水的比热容是最大的。地球上到处都有水水就像一个能量载体，你传递给水的能量是不稳定的，但是水输出的能量是稳定的。烧水很俗，但是现实很残忍，我们用的冰箱空调洗衣机，电脑电视旧手机，都是烧水烧出来的。所以总的来说，在相当长的时间里，在不发生能源革命的情况下，可用能源来源主要还是靠烧开水。怪不得有人调侃道，人类就是一个烧开水的种族，以前烧开水，现在烧开水，未来核聚变也是烧开水，戴森球在夹层里烧开水，正反物质湮灭烧开水，各种烧，人类，一个花式烧开水的文明。【手动滑稽】

焦耳及焦耳定律简介焦耳简介英国物理学家焦耳做了大量实验，于1840年最先精确地确定了电流产生的热量跟电流、电阻和通电时间的关系电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。这个规律叫做焦耳定律( Joule law)在物理实验中，我们不仅要学会操作，而且还要学会实验前的设计实验和实验后的交流评估这两个环节。下面通过探讨实验中的一些问题，去感悟和领会怎样去设计实验和交流评估。一、焦耳定律实验的探究方法是控制变量法。要设计实验，就要知道研究物理问题的方法。在焦耳定律实验中用到的方法就是控制变量法。什么是控制变量法呢？物理学中对于多因素(多变量)的问题，常常采用控制因素(变量)的方法，把多因素的问题变成多个单因素的问题。每一次只改变其中的某一个因素，而控制其余几个因素不变，从而研究被改变的这个因素对事物的影响，分别加以研究，最后再综合解决，这种方法叫控制变量法。它是科学探究中的重要思想方法，广泛地运用在各种科学探索和科学实验研究之中。在焦耳定律实验中，要探究的是电流通过导体产生的热量与电流、电阻和通电时间的关系。当我们研究热量与电阻关系的时候，需要控制电流和通电时间是不变的。在实验过程中，通过改变电阻的大小，观察、分析热量是如何变化的，从而找到热量和电阻的关系。探究电热与电阻关系的实验装置如图所示，两个透明容器中密封着等量的空气，U形管中液面高度的变化反映密闭空气温度的变化。两个密闭容器中都有一段电阻丝，右边容器中的电阻比校大。两容器中的电阻丝串联起来接到电源两端，通过两段阻丝的电流相同。通电一定时间后，比教两个U形管中液面高度的交化。在如图所示的装置中，就是控制了电流和通电时间，只是改变了电阻。从实验装置就可以看出，这是一个探究电流通过导体产生的热量与电阻关系的实验装置。考考你，从下面的这个图中可以看出，它是研究热量和哪个因素的关系？控制了哪些因素是不变的？探究电热与电流关系的实验装置在初中物理实验的探究中，许多实验都是运用了控制变量法。如：探究声音的音调与频率的关系；探究声音的响度与振幅的关系；探究动能大小与哪些因素有关等等实验。二、在焦耳定律实验中，也运用了转换法在焦耳定律实验中，还用到了另外一种研究物理问题的方法----转换法。在设计实验之前，这些都是应该知道的。所谓"转换法"，主要是指在保证效果相同的前提下，将不可见、不易见的现象转换成可见、易见的现象;将陌生、复杂的问题转换成熟悉、简单的问题;将难以测量或测准的物理量转换为能够测量或测准的物理量的方法。初中物理在研究概念规律和实验中多处应用了这种方法。在焦耳定律实验中，电流通过导体产生热量的多少，我们是看不见、摸不着，也是不便于测量的。那么如何比较5欧的电阻和10欧的电阻哪个放出的热量多呢？实验中电流通过电阻丝放出热量会使空气受热膨胀，放出的热量越多，空气膨胀得也越多，使U形玻璃管中的水柱升高的就越多。在这个实验中是通过比较U形玻璃管中的水面高低，间接比较哪个电阻丝产生的热量多。这就是转换法的应用。初中物理实验中，运用转换法的实验有，探究声音产生的原因、探究液体压强的特点、探究压力的作用效果等等。三、焦耳定律实验中，空气可以用煤油、水和沙子这些材料代替吗？在以前的教材中，这个实验也是用煤油做的。如图探究焦耳定律如果用煤油、水或者沙子代替空气，那么实验现象不明显，效果不太好。理由如下，与空气相比，电阻丝在加热煤油的过程中，煤油需要吸收较多的热量，温度才会上升，做这个实验需要的时间会变长。由于水的比热容比煤油大，相同质量的水和煤油吸收了相同的热量后，水的温度升高的少，所以实验效果还不如煤油。沙子与煤油和水相比，它的比热容小，受热后温度会升高的快，但是用电阻丝加热沙子的时候，沙子受热不均匀，需要不停的搅拌，这样的操作，在实验过程中也是很不方便的。所以空气是最好的实验材料。类似的问题会在课堂的交流评估环节中，学生们常常会问到，也经常这样分析实验装置的合理性，也分析实验过程中不成功之处，这样的交流可以培养学生的设计实验的能力和思维能力，杜绝了实验的生搬硬套。四、本实验中，U形玻璃管可以用温度计代替吗?这个问题学生们会常常问到，觉得比较温度的高低就应该用温度计。回答是：不可以代替。空气是装在密闭的容器中，当插入温度计以后，温度计的玻璃泡也需要密封在容器中。这样电阻在加热的过程中，容器内的空气受热膨胀，热空气会涨破密闭的容器，导致实验失败。如果插入温度计，不密封温度计的玻璃泡，那么空气受热膨胀就会跑到容器的外面，并且带走了热量，这样也不便于比较电阻丝产生热量的多少。即使没有上述的原因，用温度计代替U形玻璃管也是不可取的。因为电阻丝加热容器内空气的过程中，空气温度的变化，不足以使温度计的示数较快的上升，观察效果不明显。在日常生活中会经常用到温度计，如图实验用温度计五、本实验中，并联一个5欧电阻的作用是什么？如图所示，两个密闭容器中的电阻一样大，在其中一个容器的外部，将一个电阻和这个容器内的电阻并联，它的作用是改变通过右面容器中电阻的电流大小。简言之，并联一个5欧电阻的作用就是改变通过右面容器内电阻的电流大小。改变通过容器内电阻的电流大小，还有其它的办法吗？请说一说。通过以上五个问题点点滴滴的剖析中，我们要知道设计实验时，首先要知道探究物理问题的方法是什么，然后从方法入手，设计实验步骤；实验后的交流评估也很重要，它是对实验过程的反思、总结和延伸。主要从实验设计、实验过程以及实验数据和现象等方面进行必要的交流和评估。我认为，对待物理实验，学生们应该寻找一切可以抓住的机会动手操作。在实验的过程中尽情地体验实验过程。只有尽情地体验，才能感悟到那些只有通过实验才能得到的东西，那是课本上没有的，老师也不一定能讲到的东西。那些惊奇的发现，只有通过实验才能获得。玩乐高，不如玩实验器材，这些东西也是很有趣的。想要做实验，器材是很容易得到的，不仅仅是只有学校里才有。如图力学实验器材关于焦耳定律实验，大家还有什么需要交流的问题吗？请分享。大家在实验过程中还有什么感悟，请交流。

【能源人都在看，点击右上角加'关注'】锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命等优势，被广泛应用于消费类电子设备和电动汽车等领域。近年来，随着这些可移动电能源设备性能的不断增长，对锂离子电池能量密度的要求越来越高。然而，高能量密度电极材料的使用给锂离子电池带来了更大的安全隐患，其较低的热稳定性增加了电池的热失控风险。因此，需要对锂离子电池的热失控机理和发生过程进行深入研究，以改进电池的安全设计，防止电池热失控的发生。仿真模拟是研究锂离子电池理化性质的重要手段[1-2]。对锂离子电池的热失控过程进行模拟可以获得实验难以表征的电池内部温度和反应等参数，有助于揭示电池产热机理，分析电池热失控原因，并预测电池热行为[3-4]。例如，An等将电化学-热耦合模型集成于热失控模型中，通过分析电化学产热与材料分解产热研究了柱状和软包锂离子电池在外短路和超快速放电时的热失控性质和机理[5]。Ren等基于电-热耦合模型研究了过充电导致的电池热失控，通过分析焦耳热、热失控反应和内短路揭示了电解液氧化以及电解液与沉积的金属锂之间的反应是过充电过程中热量的主要来源[6]。Feng等通过电化学-热耦合的失效模型预测了锂离子电池的热失控行为，并分析了电池在极端温度下的容量衰减、SEI膜分解与再生对热失控行为的影响以及电池热失控过程中的内短路[7]。Lee等通过模拟研究了电池结构、电极负载量和电池内阻对电池热失控的影响[8]。我们过去的工作也利用电-热耦合模型研究了隔膜熔断温度对LiFePO4/C电池热失控行为的影响[3]。锂离子电池的热失控过程可以归纳为电池组成材料的链式分解反应：电池的非正常升温诱发内部某种材料发生分解反应并释放热量，使电池温度进一步升高并诱发新的分解放热反应，如此循环使电池温度急剧上升并最终引起热失控[9]。可以看出，锂离子电池的热失控行为是由其组成材料的热反应性质决定的。因此，本工作基于电池组成材料的热反应参数建立了锂离子电池热模型，对常见的LiCoO2/石墨和LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2/石墨电池的热失控行为进行了模拟研究。模拟得到了电池热失控过程中的温度变化情况，并基于电池组成材料的热反应情况揭示了电池的热失控机理。该模拟方法具有很高的准确度，模拟结果与电池热失控实验结果吻合良好。实 验1.1 扣式电池制备分别以LiCoO2 (LCO)和LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NCM111)为活性材料，将活性材料，SuperP和PVDF按质量比8∶1∶1混合，加入适量NMP搅拌均匀，将电极浆料均匀涂覆于Al箔上，烘干后进行辊压、切片，120 ℃真空干燥24 h。以金属锂箔为对电极，在Ar气氛手套箱内组装扣式电池，电解液为1 mol/L LiPF6的EC+DEC+EMC(体积比1∶1∶1)溶液。1.2 热性质测试使用差示扫描量热仪(Netzsch DSC 204 F1)测试LCO与NCM111正极的热反应性质。材料的荷电状态为满电态。将扣式电池以0.1 C充电至4.2 V并恒压 30 min，在手套箱内拆卸扣式电池并将正极片上的材料转移至不锈钢高压坩埚内。DSC测试的升温速率分别为5、10和15 ℃/min。使用Netzsch Kinetics热动力学软件拟合DSC曲线得到反应动力学参数。结果与讨论2.1 LCO与NCM111的热反应性质为了获得电池材料的热反应参数，对满电态LCO与NCM111正极进行了不同升温速率下的DSC测试，测试结果如图1所示。LCO与NCM111均表现出了明显的放热峰，说明了材料热分解放热反应的发生。脱锂态正极材料的热分解反应以及正极材料与粘合剂、电解液之间的反应导致了多个放热峰的出现。LCO放热峰的起始温度在190 ℃，低于NCM111的238 ℃，说明NCM111热稳定性优于LCO。随着升温速率增加，放热峰的峰值温度和峰高逐渐增加。对不同升温速率下的DSC曲线进行拟合可以得到材料放热反应的动力学参数，拟合使用化学反应速率方程：式中：r为材料热反应的反应速率，s1；x为反应物的归一化质量；A为指前因子；Ea为反应活化能，kJ/mol；n和a为反应级数。LCO第一个放热峰是其主要放热反应峰，对电池热失控行为影响较大，因此对该放热峰进行拟合。对于NCM111，则对两个放热峰分别进行拟合。动力学拟合得到的反应速率参数见表1。拟合的DSC曲线如图1所示，拟合曲线与DSC测试曲线吻合良好，说明了该拟合方法的准确性。另外，通过计算放热峰的峰面积可以得到放热反应的放热量H，放热量取不同升温速率下放热峰面积的平均值，结果见表1。图1 (a) LCO和(b) NCM111的DSC曲线及其动力学拟合曲线表1 锂离子电池热模型参数2.2 电池热失控模拟使用COMSOL Multiphysics仿真软件建立LCO/石墨和NCM111/石墨电池的热模型。该模型基于电池材料的热物性参数和热反应参数建立(表1)，使用的方程包括电池材料反应速率方程[方程(1)]，反应产热方程[方程(2)]和传热方程[方程(3)]：式中：Q为电池各组成材料的热反应产热速率的累加，W/m3；r和H分别为材料热反应的反应速率(s1)和反应放热量(J/g)；ρ、Cp和k分别为电池材料的密度(kg/m3)、比热容[J/(kg·K)]和导热系数[W/(m·K)]；T为温度，K；t为时间，s。模型中石墨负极和电解液的参数使用了我们过去工作中报道的参数[3-4]。模型边界条件为绝热条件。对模型进行求解以模拟LCO/石墨和NCM111/石墨电池的热失控过程，得到了电池的温度-时间曲线和升温速率-时间曲线，如图2所示。两种电池首先经历了一个温度缓慢上升的阶段，随着时间推移，升温速率逐渐降低。此后，随着电池温度继续上升，升温速率开始增加。当LCO/石墨和NCM111/石墨电池温度分别达到144和166 ℃时，电池的升温速率达到0.01 ℃/s。此后电池升温速率的增长速度加快，电池出现了较为明显的温度增长。当LCO/石墨和NCM111/石墨电池的温度分别达到159和191 ℃时，电池的升温速率达到0.04 ℃/s。此后电池的温度和升温速率出现了不可逆转的急速上升，电池发生热失控。图2 (a) LCO/石墨和(b) NCM111/石墨电池的温度和升温速率模拟曲线为了验证该模拟方法的准确性，制备了LCO/石墨和NCM111/石墨的18650电池，将电池充电至满电态(4.2 V)后进行加速量热(ARC)测试。将ARC测试的热失控实验结果与热失控模拟结果进行对比，如图3所示。模拟曲线与实验曲线表现出了高度一致，特别是在较低的升温速率下。对比升温速率为0.01和0.04 ℃/s时的模拟温度与实验温度(表2)，同一样品在相同升温速率下的两个温度差距很小，最高误差仅为5.7%。这些结果表明本工作的热失控模拟方法具有很高的准确度。值得说明的是，升温速率较高时，相同温度下模拟的升温速率均高于实验测试的升温速率，这是由于ARC测试无法完全实现模拟中使用的绝热条件。当电池处于自加热状态时，环境的温度变化落后于电池的温度变化，尤其是在电池热失控后温度急速上升时，环境的加热速率难以迅速达到电池的升温速率，导致了电池的热量损失。这是造成模拟结果与实验结果偏离的主要原因。图3 LCO/石墨和NCM111/石墨电池热失控模拟结果与ARC测试结果对比表2 相同升温速率下LCO/石墨和NCM111/石墨电池的模拟温度与实验温度对比通过分析热失控过程中电池各组成材料的热反应状态来研究电池的热失控机理。图4给出了LCO/石墨和NCM111/石墨电池组成材料在热失控过程中的热反应速率随温度变化的曲线。将这些曲线与电池升温速率曲线进行对比，可以明确不同电池材料的热反应在不同升温阶段对电池温度变化的贡献。可以看出，两种电池首先发生了负极SEI膜的分解反应，引起了电池的温度上升。随着SEI膜分解反应速率的降低，电池的升温速率降低。SEI膜分解反应结束后，LCO/石墨电池中电解液开始分解，该反应的放热使得电池温度继续上升。该反应较低的反应速率以及同时发生的电解液汽化的吸热反应使得这一阶段温度上升较为缓慢。随着电池温度的继续上升，LCO正极分解的放热反应开始发生。该反应的反应速率迅速增加，使得电池的升温速率迅速增加，最终导致了电池的热失控。NCM111/石墨电池在SEI膜分解反应结束后，发生了NCM111正极分解反应、电解液分解反应和电解液汽化反应。随着这些反应速率的增加，电池的升温速率逐渐增加，最终进入热失控状态。NCM111正极和电解液的分解反应放热是导致电池热失控的原因。图4 (a) LCO/石墨和(b)NCM111/石墨电池组成材料反应速率模拟结果结 论基于电池组成材料的热反应参数建立了锂离子电池热模型，对LCO/石墨和NCM111/石墨电池的热失控行为进行了模拟研究。模拟得到了电池热失控过程的温度变化情况，LCO/石墨和NCM111/石墨电池的热失控温度分别为159和191 ℃。对LCO/石墨和NCM111/石墨电池进行了热失控实验测试，实验结果与模拟结果高度吻合。此外，通过分析热失控过程中电池组成材料的反应速率情况研究了电池的热失控机理，LCO正极的热分解反应以及NCM111正极和电解液的热分解反应分别导致了LCO/石墨和NCM111/石墨电池的热失控。本工作的模拟方法具有很高的准确度，有望应用于其他锂离子电池体系。参考文献：[1] BOTTE G G,SUBRAMANIAN V R, WHITE R E. 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