在初中物理課本“溫度計”一節(jié)中,有這樣一段:“家庭和物理實驗室常用的溫度計,是利用水銀、酒精、煤油等液體的熱脹冷縮來測量溫度的!庇行⿶蹌幽X筋思維活躍的學(xué)生向老師提出一個問題:“水也具有熱脹冷縮的性質(zhì),為什么不用水來做溫度計?用水的成本低,容易加顏色便于觀察。”對一上這個問題筆者從下面幾個方面向?qū)W生解釋,不知是否恰當(dāng),請同仁們斧正。
1.由于熔點和沸點的原因
在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下水的熔點(凝固點)是0℃,水的沸點是100℃。而水銀的熔點(凝固點)是-38.5℃,沸點是357℃;酒精的熔點(凝固點)是-114℃,沸點是78℃;好的煤油熔點(凝固點)是-30℃,沸點是325℃。
如果用裝水的溫度計測量氣溫,冬天在0℃以下,水凝固成了冰,無法測量;當(dāng)溫度達(dá)到100℃水就沸騰.雖然由于管內(nèi)隨著水蒸氣壓強的增大會提高水的沸點,但其中水的體積膨脹與蒸汽壓強增大的比例關(guān)系很復(fù)雜,不是一個正比關(guān)系,所以不能用其測量100℃以上的溫度。水銀就不同,用它可以測量-38.5℃-357℃之間的溫度;酒精雖然沸點不高,但是它的熔點(凝固點)是-114℃,即在零下114℃以上都不會凍結(jié);用煤油可測量-30℃-325℃之間的溫度。
2.由于熱膨脹系數(shù)的原因
水的熱膨脹系數(shù)為2.1×10-4℃,水銀、酒精、煤油的熱膨脹系數(shù)分別為1.8×10-4℃、1.1×10-3℃、1.0×10-3℃。同樣體積的液體都升高1℃,酒精和煤油膨脹的體積約是水的5倍,那么在利用體積變化的刻度方面,水的刻度距離小,酒精和煤油的刻度距離大,相同的溫度間隔距離大,不僅為測量和讀數(shù)帶來方便,且能夠測量較小溫度變化值。
3.由于比熱容的原因
水的比熱容為4.2×103J/kg?℃,水銀、酒精、煤油的比熱容分別為0.14×103J/kg?℃、2.4×103J/kg?℃、2.1×103J/kg?℃。水的比熱容是水銀的30倍,如果質(zhì)量相同的水和水銀,吸收相等的熱量,水銀升高的溫度是水的30倍。可見用裝水的溫度計對于被測物體的溫度影響大,達(dá)到熱平衡的時間長;而水銀溫度計對于被測物體的溫度影響小,達(dá)到熱平衡的時間短。特別是測量比較小的物體,如果溫度計對它有影響,其溫度的測量值就不準(zhǔn)確了。
4.由于水有反常膨脹現(xiàn)象的原因
水在4℃以上,與一般的物質(zhì)相同是熱脹冷縮的,而在0℃和4℃之間卻是冷脹熱縮,且這段冷脹熱縮的系數(shù)與熱脹冷縮的不同。這是水的一種特殊性質(zhì),如果溫度計里裝的是水,不僅無法標(biāo)度0℃到4℃之間的刻度,在用這樣的溫度計測量4℃左右的溫度時,無法確定其讀數(shù)。
從以上的分析我們可以看出,溫度計里不能裝水的原因是多方面的,主要是根據(jù)液體的物理性質(zhì)而選定。再則不同液體的溫度計的測量范圍和用途父各不相同,如酒精溫度計就不能用于測量高溫,體溫計就是用的水銀溫度計等等。
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