本模块的每个计算都假设所供给的能量全部进入被加热的材料。那是一个模型,真实的设备不会完全遵守它。题目要求你指出能量从哪里散失,说明它如何改变结果,并提出减小影响的办法。
真实加热实验中能量去了哪里?
想象用电加热器加热金属块或一容器的水,并用温度计测量温度。只有一部分电能变成样品的温度升高。
能量还会传给容器、加热器和温度计本身,并通过传导、对流、辐射和蒸发传给周围的空气。样品比室温高得越多,这些损失发生得越快。
- 说出损失: 例如能量传给周围环境。
- 说明方向: 用来使温度升高的能量比计算所假设的少。
- 说明对结果的影响: 观察到的温度升高比预测的小,或者用供给能量算出的值偏高。
- 提出减少办法: 隔热、加盖、缩短测试、搅拌。
例题
一个额定 2000 W 的电热水壶在 200 s 内把 1.0 kg 的水从 20 °C 加热到 100 °C。(示例数据为虚构)取 c = 4200 J/kg °C。比较理想情况与实测情况。
步骤 1,有用能量: Q = 1.0 × 4200 × 80 = 336 000 J。
步骤 2,无损失时的理想时间: t = 336 000 ÷ 2000 = 168 s。
步骤 3,实际供给的能量: E = 2000 × 200 = 400 000 J。
步骤 4,损失的能量: 400 000 − 336 000 = 64 000 J。
步骤 5,效率: 336 000 ÷ 400 000 = 0.84,即 84%。
步骤 6,对 c 的影响: 如果学生使用供给的能量,会算出 c = 400 000 ÷ (1.0 × 80) = 5000 J/kg °C。这比公认的 4200 高约 19%,能量损失解释了这一点。
要留意的错误
常见的失误是笼统地归咎于人为误差,而没有说出物理原因。
错误答案: “结果不对是因为学生温度测得不好。”
这无法解释为什么数值总是偏高,也拿不到物理分数。
纠正方法是说出能量传递及其方向:部分供给的能量加热了容器和周围环境,所以水得到的能量比供给的少。用较大的供给能量除以较小的温度升高值,得到偏高的 c。
自我检测
1. 一块 0.50 kg 的铜块(c = 390 J/kg °C)被 500 W 加热器加热 60 s。若无损失,预期温度升高多少?
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E = 500 × 60 = 30 000 J。m × c = 0.50 × 390 = 195 J/°C。Δθ = 30 000 ÷ 195 ≈ 154 °C(约 150 °C)。
2. 在第 1 题中,实测升温为 120 °C。供给能量的百分之几真正加热了铜块?
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有用能量 = 195 × 120 = 23 400 J。比例 = 23 400 ÷ 30 000 = 0.78,即 78%。其余 6600 J 去了别处。
3. 一个学生用供给的电能除以 质量 × 温度升高值 来求 c。结果会偏高还是偏低?为什么?
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偏高。 部分供给的能量损失了,所以温度升高比无损失时小。用全部供给的能量除以较小的升高值,得到较大的 c。
接下来学什么
五节课都完成后,用 热量计算练习集 测试整个模块。如果你对其他设备中的能量损失感兴趣,功、能量与效率 从效率的角度讲了同一个概念。
评价类题目的答案要写得精确,老师可以在 物理一对一线上补习 中当场帮你把模糊的想法改成完整的句子。