力学测量和热学测量

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1、力学测量和热学测量中国科学技术大学轩植华物理学是研究物质运动、物质结构和性质的科学，是最重要和最基本的自然科学。研究的主要途径就是实验，实验的主要手段是测量。所谓测量，就是将待测物的某特性与被选作标准的某物的某个特性做比较。伽利略开创了物理学，是力学测量的集大成者1．用一个V型木槽和木球做斜面运动实验，用水桶漏水量计量时间，测量加速度并推算重力加速度。2．用外推法和逻辑法得到惯性定律。3．注意到单摆的等时性。4．改进望远镜并观察月亮。5．发明和改进秤（杠杆法）。细观察，巧实验，勤思考，善推理，精演算傅科在教堂中发现悬吊的灯摆动的面并非严格的平面，这个面缓慢但不断地旋转，灯绳长短不同，

2、旋转周期不同；纬度不同，周期也不同，在北极旋转周期为24小时。望远镜是荷兰的一个眼镜店学徒先发现，伽利略解释并改进。一、力学测量确定物体的位置、长度、速度、加速度、运动轨迹等属于运动学测量；而了解物体运动与质量和力关系，属于动力学范畴；描述硬度、黏性、杨氏模量、表面张力系数等物质特性，属物性研究。这些测量又与质量、时间等物理量密切相关。用仪器测量力学量的量限向两端延伸：质量跨15个量级；力值跨16个量级；压强跨14个量级。测量方式由静态测量到动态测量，在变化过程中实时测量，广泛使用各种传感器。在我们的实验课程中也学习传感器测量较小的物理量。而对于天体位置、距离以及运动的测量，则根据它

3、们的运动规律以及光谱进行间接测量。对物质微观粒子力学性质的测量，要用到光学、电磁学、原子以及核物理等手段进行间接测量。力学测量中涉及到杠杆原理（如天平实验）阿基米德定律（流体静力秤——测量密度）胡克定律（弹簧——测量液体表面张力）光线反射和折射定律（光杠杆——测量杨氏模量）干涉或衍射（牛顿环测量透镜曲率半径，测量细丝或狭缝宽度）多普勒效应（测量速度和加速度）压电效应（应用传感器制作电子秤）等。要确定速度等力学量，还必须测量时间。从古代的日晷、沙漏，到以摆动的等时性为基础的机械式钟表，到晶体震荡为基础的石英钟，一直到原子钟，时间测量的精度大大提高了。在我们的物理实验课中，涉及速度、加速

4、度的有气垫导轨、单摆或物理摆、多普勒效应等实验，测量声速的实验；还有测量密度、杨氏模量、粘滞性、表面张力等涉及物质性质的实验；应用传感器测量质量、微小形变等。光速已经是长度单位米的定义原始的米原器长度受温度影响，不易复制1960年定义米的长度为氪-86的2p10和5ds能级之间跃迁的辐射在真空中波长的1650763.73倍。现在定义米的长度为光在真空中（1/299792458）秒时间间隔内所经路径的长度。强度调制光的干涉法测量光速将发光二极管的红光的强度调制为50MHz的微波信号；然后用分束镜将光分为两束，一束光的强度调制信号输入双踪示波器的X端，另一束出射到空气中并经过可移动反射镜

5、反射回仪器内，将它的强度调制信号输入到示波器的Y端。两个互相垂直的同频率振动合成为李萨如图（一般为椭圆、圆或直线）；通过初始条件旋纽，使李萨如图形为一直线；改变反射镜位置，李萨如图形将逐渐成椭圆，其椭圆度和方位角也不断变化；当图形再次成为直线（从一三象限变为二四象限），光线在仪器外移动了调制信号的半个波长，即反射镜移动了四分之一波长。测量移动的距离；波长与频率的乘积为光速。此法可得到四位有效数字。用电阻应变片制作电子秤传感器的性质和应用金属箔电阻应变片贴牢在悬臂梁上下表面，悬臂梁远端加砝码使它弯曲，上表面受到拉伸，下表面受到压缩。所以上表面电阻阻值变大，下表面电阻阻值变小。应变片的结

6、构示意图1敏感栅2引线3粘结剂4盖层5基底分别将一个、两个或四个电阻应变片与固定电阻组成电桥（所谓单臂、半桥或全桥），以电压表为平衡检测器。未加砝码时，调节电桥平衡，输出电压为零。随着负载增加，电桥不平衡性加大，电压表读数越大。未加砝码时，调节电桥平衡，输出电压为零。随着负载增加，电桥不平衡性加大，电压表读数越大。做M-U图，是线性关系。测量未知质量，从非平衡电压值得到质量。大质量测量常常采用这类传感器。二、热学测量18世纪末到19世纪的一百年左右，以蒸汽机的发明和使用为标志的第一次工业革命极大地促进了热（力）学的发展。经过几十年的科学实验，特别是精确地测量了热功当量，人们认识到机械

7、能、化学能、热能和电磁能（后来还有原子能和核能）之间是可以相互转化的，在转换过程中总量守恒。这就是热力学第一定律。人类认识到能量转换和守恒定律，其中焦耳的贡献是最大的。对热力学发展做出巨大贡献的还有卡诺、迈耶、亥姆霍兹、W.汤姆孙（开尔文勋爵）、克劳修斯、吉布斯、恩斯特等人。人类的生产、生活以及科学研究活动都证实了这是自然界中最根本的规律。热力学第二定律还指出了宇宙中一切宏观过程发展变化的方向，也即时间只能从过去到现在，再到将来的方向。如果发现有不符合这些