高中物理人教版 (新课标)选修34 温度和温标学案

  温度和温标

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（1）知道什么是状态参量，什么是平衡态。

（2）知道什么是热平衡，什么是热平衡定律。

（3）知道温度的表示方法。

（4）知道常见温度计的构造，会使用常见的温度计。

（5）理解摄氏温标和热力学温标的转换关系。

诱思导学

1．平衡态和状态参量

在物理学中，通常把所研究的对象称为系统。

（１）状态参量

用来描述系统状态的物理量，叫做系统的状态参量。

（２）平衡态

系统宏观性质不再随时间变化，这种情况下就说系统达到了平衡态。

２．热平衡与温度

（１）温度

温度是表示物体冷热程度的物理量，反映了组成物体的大量分子的无规则运动的激烈程度。

（２）热平衡

一切达到热平衡的系统都具有相同的温度。

３．温度计与温标

（１）温度计

是测量温度的工具。

家庭和物理实验室常用温度计是利用水银、酒精、煤油等液体的热膨胀规律来制成的。另外，还有金属电阻温度计、压力表式温度计、热电偶温度计、双金属温度计、半导体热敏电阻温度计、磁温度计、声速温度计、频率温度计等等。

（２）温标

温度的数值表示法叫做温标。

用摄氏温标表示的温度叫做摄氏温度；在国际单位制中，常采用热力学温标表示的温度，叫热力学温度。

热力学温度(T)与摄氏温度(t)的关系为：

T＝t+273。15 （K）

说明：①两种温度数值不同，但改变1 K和1℃的温度差相同。

②０K是低温的极限，只能无限接近，但不可能达到。

典例探究

例１　细心观察可以发现，常见液体温度计的下部的玻璃泡较大，壁也比较薄，上部的管均匀而且很细，想一想，温度计为什么要做成这样呢？

解析：这样做的目的都是为了使测量更准确、更方便。下部较大而上部很细，这样下部储存的液体就比较多，当液体膨胀收缩时，膨胀或收缩不大的体积，在细管中的液面就有较大的变化，可以使测量更精确；下部的壁很薄，可以使玻璃泡内的测温物质的温度较快地与待测物质的温度一致；细管的粗细是均匀的，是为了使刻度均匀，更便于读数。

课后问题与练习点击

1．略

2．略

3．解析：　物理量X与热力学温度T成正比，即：X＝ C·T （C为常量），又因为T＝t+273．15 K，所以X＝C·（t +273．15），因此，t＝X／C-273．15（℃）

4．电流表上代表t１、t２的两点，t１应该标在电流比较大的温度上。

解析：由图７．４－２甲可以看出，t１温度下金属丝电阻比较小，因为电路中电池的电动势和内阻都是不变的，根据闭合电路的欧姆定律可以知道，此时电路中电流比较大。

基础训练

１．两个物体放在一起彼此接触，它们若不发生热传递，其原因是(    )

A．它们的内能相同

B．它们的比热相同

C．它们的分子总动能相同

D．它们的温度相同

２．下列关于热力学温度的说法中，不正确的是(    )

A．热力学温度的零度是－273。15 ℃

B．热力学温度的每一度的大小和摄氏温度是相同的

C．绝对零度是低温的极限，永远达不到

D．1℃就是1 K

３．冬天，北方的气温最低可达-40℃，为了测量那里的气温应选用（    ）

A．      水银温度计   

B．酒精温度计

C．以上两种温度计都可以 

D．以上两种温度计都不行

4．在25℃左右的室内，将一只温度计从酒精中拿出，观察它的示数变化情况是（    ）

A．温度计示数上升 B．温度计示数下降

C．温度计示数不变 D．示数先下降后上升

5．常用的温度计是利用液体的________来测量温度的。摄氏温度把标准大气压下________的温度规定为0度。

6．体温计的测量范围是________，最小刻度值是________。

7．一支读数为37。8℃的体温计，不经甩过，先后依次测量两个人的体温，若他们的真实体温分别是36。5℃和38℃，那么这支体温计的读数依次是________、________。

8．液体温度计越精确，则其玻璃泡的容积与细管的容积相差必定越（填“大”或“小”）_______________，此时玻璃泡里的液体有微小的膨胀，细管里的液柱               。

9．能不能用体温计作为寒暑表使用？试说明理由。

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温度计和温标的发明

公元前200一100年间，古希腊菲隆和希隆各自制造过一种以空气膨胀为原理的测温器。其后，人们还在三个容器中分别装上冷、温、热水来判断物体的冷热：用手摸进行比较。

1592或1595年，伽利略制成了第一个气体温度计。玻璃管与玻璃泡相连，管内有有色液体，倒置于水杯之中。当被测温度的物体与泡接触时，泡内空气就会因热胀冷缩而发生体积变化，使有色液柱上升或下降，再由玻管上标有“热度”(即现在所说的“温度”)的刻度读出。这是有史以来的第一支有刻度的温度计。显然，这种温度计不完善：变化着的大气压也会使液柱升降，测量范围极其狭窄。

物理学中热力学里有一门叫计温学的分支学科，它是利用物质的热效应来研究测温技术的。它包括温度分度法、温度参照点的选择、温度计按不同用途的设计、制定各种测温标准、提高测温精度、准确度、测定实用温标和热力学温标的差值等。伽利略发明气体温度计后，人们的工作就大致按这些内容进行。

1611年，伽利略的同事桑克托留斯改进了伽利略的气体温度计，制成一种蛇状玻璃管气体温度计，玻管上有llO个刻度，可测体温。

1629年，约瑟夫·德米蒂哥这位物理学家兼犹太教师出版了一本叫《花园中的喷泉》的书，书中载有盛有白兰地的玻璃泡温度计，它旁边的小字上写着“oleb”(上升)。有人认为这是人类第一支较准确的温度计。但现未能查明其发明者，而只能猜测是伽利略或他在帕多瓦大学的同事德米蒂哥。具体发明年代只能大致确定在17世纪初。

1631—1632年，法国化学家詹·雷伊把伽利略的玻璃管倒转过来，并直接用水而不是空气的体积变化来测定温度。这是第一支用水作工作物质的温度计。但因管口末密封，水会蒸发而产生越来越大的误差。

1641年，第一支以酒精为工作物质的温度计首次出现在意大利托斯卡纳大公爵费迪南二世的宫庭里。1644—1650年间，这位大公将其不断完善：用蜡把红色酒精温度计的玻管口封位，在玻管上刻度。可见，这支温度计已具有现代温度计的雏型，以致不少人将温度计的发明归功于这位大公。1654年，这种温度计已在佛罗伦萨普及，以致这一年被一些人认为是温度计诞生之年。它还被传到英国和荷兰。

1646年，意大利物理学家莱纳尔第尼明智地提出以水的冰点和沸点作为温度计刻度的两个定点。但无奈当时流行的酒精温度计里酒精的沸点(78.5℃)低于水的沸点(100℃)，所以用水的沸点为第二个定点对酒精温度计显然不切实际，所以这一建议当时未能实施。

1657年成立的意大利佛罗伦萨实验科学院在其存在的10年间地进行了水银和酒精温度计的研究，制作过40(或80)个等分标度的没有定点的酒精温度计：它在1660年冬最冷时显示11—12“度”，冰的熔点显示13.5“度”，夏天最热时为40“度”。

1658年，法国天文学家伊斯梅尔·博里奥制成第一支用水银作工作物质的温度计。

1660年，意大利材料测试研究所也制成了水银温度计。

1665年，荷兰物理学、数学家惠更斯地提议把水的冰点和沸点作温度计刻度的两个定点，以便各种温度计标准化。同年，英国物理学、化学家波义耳根据他于1662年发现的气体定律(即玻义耳定律，后经法国物理学家马略特完善后称波义耳一马略特定律，简称波一马定律)，指出气体温度计不准的原因及其他缺点。其后，人们大多转向其他工作物质的温度计的研究。

1672年，休宾在巴黎发明了第一个不受大气压影响的空气温度计。

1688年，达兰西的温度计以水和牛油熔解时的两个温度作温度计刻度的两个固定点。

18世纪初，形形色色的温度标准(温标)已多达30余种。例如，丹麦天文学家罗默(他以1676年用观测木星卫星蚀的方法第一次证实光的传播是等速运动而闻名于世)以人体温度为22.5“度”和水的沸点为60“度”作温度计上刻度的两个定点。牛顿于1701—1703年制作的亚麻子油(一说蓖麻油)温度计把雪的熔点0“度”和人体的温度12“度”作温度计的两个定点。

法国物理学家阿蒙东最先指出测温液体是规则膨胀的，“有绝对零度存在”也是他最先指出的，他于1703年也制成了一支实用气体温度计。

在18世纪以前，温标不统一且不太实用。这些工作历史地落在华伦海特等人的肩上。

迁居荷兰的德国玻璃工华伦海特也在英国居住过。他经过1709—1714年的研究，把冰、水、氯化铵的混合物平衡温度定为0℉，人体温度定为96℉(如以今天我国标准体温37℃，则应为98．6℉，可见他采用的体温不是今天我国的标准体温)，其间分为96格，每格为1℉。1724年，他又把水的沸点定为2120℉。但遗憾的是，他未能将冰的熔点定为0℉，而是定为32℉。这就是华氏温标，其符号为tF。这是曾长期使用且至今仍在香港和世界许多地方使用的第一种温标。他还发明了在填充水银时进行净化的方法，制成了第一种实用的水银温度计。

1730年，主要研究物理学和动物学的法国博物学家列奥缪尔制成了一种酒精温度计，他把水的冰点0oR和沸点80oR刻在温度计上作两个定点，再把其问分为80格，每隔为1oR。这是其后流行了多年的第二种温标——列氏温标，其符号为tR。

1742年，瑞典物理学家、天学家摄尔修斯制成的水银温度计则把水的沸点和冰的熔点分别定为0℃和100℃，其间分为100格，每格为1℃，这是第三种得到广泛流行的实用温标——摄氏温标，其符号为t或tc。1743年，克里森指出上述定点不符合越热的物体温度越高的习惯，8年以后的1750年，摄尔修斯接受同事斯特默尔的建议，把上述两定点的温度对调，这才成了现在的摄氏温标即百分温标。

上述三种温标都是初级原始的温标，其缺点有二。一是温度值只有在两个定点是准确的其余各点都不准确；二是定义范围很窄，例如水银温度计测量范围是—38．87—+356．9℃。以下第四种温标克服了这些缺点。

1848年，英国物理学家汤姆逊即开尔文提出热力学温标。其符号为TK或T，并于1854年指出只需选用一个固定点数值，这种温标就能确定。这个点就是“绝对零度”。然而，在实际建立热力学温度单位时，考虑到历史传统和当时的技术条件，他不得不用摄尔修斯的0—100℃的间隔作为100个新温度的间隔，即新温度的每个间隔为1开氏度(1oK)与 l摄氏度(1℃)相当。这就是开氏温标。历史上类似而含义不尽相同的名称还有理想气体温标、热力学绝对温标等。这第四种温标的特点是：与任何物体的性质无关，不受工作物质的影响，解除了工作物质因凝固、汽化而受到的限制，仅与热量有关。1927年，第七届国际计量大会确定它为最基本的温标。1954年大会又决定把273.16oK这一水的三相点作为这一温标的唯一定点。这一温标实际包含的另一定点是不能用物质的已知性质来定义的，它是理论上推导出来的最低温度——绝对零度。1967年，第十三届国际计量大会将这种温标的单位“开氏度”(oK)改为“开尔文”(K)，而前述“开氏温标”及“开氏温度”被分别代之以“新国际实用温标”和“热力学温度”，我国也最终由国务院于1984年2月27日下达命令在1991年1月1日起正式施行使用。

第五种温标为兰氏温标，在19世纪由英国工程师兰金发明，其符号为TR，兰氏度的符号为Ro。这种温标的水三相点约491.7Ro，水的沸点约671.6Ro。这种温标比前四种用得更少。

随着上述摄氏，国际温标的建立和技术的成熟，以及实际测量的需要，人们改进、发明了形形色色的温度计。

1743年，法国克利斯廷在里昂改制了像摄尔修斯那样的温度计，这更接近现代温度计。

1782年，西克斯发明了 “最高最低温度计”，丹尼尔·卢瑟福在1794年作了改进。1782年，英国韦奇伍德．和德国塞格尔各自发明了测定火焰温度或炉温用的温度计，后者的发明被称为塞格尔测温锥。

1821—1822年，德国塞贝克发现热电(温差电)现象，提出温差电动势序，认识到由此可制成热电偶即温差电偶来测温度。1830年便出现了这种温差电偶，用它还可探测红外线。选用适当的导体或半导体作热电偶材料，可以测量很宽的温度范围(如—50—+1600℃)，若用特殊热电偶材料，则更可扩大到—180—2000℃，这显然是酒精或水银温度计望尘莫及的。

俄国楞次和英国戴维于1835年得知金属在受热时电阻会增大，A·F·斯文贝尔格于1857年便用这一原理发明了差示温度计(由一个接在测量电桥中的涂黑铜螺线组成)。

1860年，德国威廉·西门子发明了遥测式电阻温度计，1869年他为它加装了一根钠丝作测量探头，可测更高的温度。

19世纪60年代初，英国医生阿尔伯特发明了现在仍在位用的那种体温计：其最大特点是细管内有一段特别狭窄，体温计离开被测人体后水银在这狭处中断而水银柱并不下降，可从容不迫地读出体温。

1881年，兰利将涂黑的铂带作热敏元件制成辐射热测量计(或电阻测辐射热计)测量辐射热。

其后，温度计新品种不断涌现。例如，光学高温计(测600℃以上高温)、光度计(测星球表面温度)、红外显微镜(测小至10—100微米的点的温度)、半导体点温度计(测点的温度)、石英振子温度计(可测低温至250间的温度，精度特高)

对10000℃以上的高温，一般温度测量法已无能为力。这时，要用原子光谱的谱线和温度间的关系来计算出温度。