在初中物理课本“温度计”一节中,有这样一段:“家庭和物理实验室常用的温度计,是利用水银、酒精、煤油等液体的热胀冷缩来测量温度的。”有些爱动脑筋思维活跃的学生向老师提出一个问题:“水也具有热胀冷缩的性质,为什么不用水来做温度计?用水的成本低,容易加颜色便于观察。”对一上这个问题笔者从下面几个方面向学生解释,不知是否恰当,请同仁们斧正。
1.由于熔点和沸点的原因
在标准状态下水的熔点(凝固点)是0℃,水的沸点是100℃。而水银的熔点(凝固点)是-38.5℃,沸点是357℃;酒精的熔点(凝固点)是-114℃,沸点是78℃;好的煤油熔点(凝固点)是-30℃,沸点是325℃。
如果用装水的温度计测量气温,冬天在0℃以下,水凝固成了冰,无法测量;当温度达到100℃水就沸腾.虽然由于管内随着水蒸气压强的增大会提高水的沸点,但其中水的体积膨胀与蒸汽压强增大的比例关系很复杂,不是一个正比关系,所以不能用其测量100℃以上的温度。水银就不同,用它可以测量-38.5℃-357℃之间的温度;酒精虽然沸点不高,但是它的熔点(凝固点)是-114℃,即在零下114℃以上都不会冻结;用煤油可测量-30℃-325℃之间的温度。
2.由于热膨胀系数的原因
水的热膨胀系数为2.1×10-4℃,水银、酒精、煤油的热膨胀系数分别为1.8×10-4℃、1.1×10-3℃、1.0×10-3℃。同样体积的液体都升高1℃,酒精和煤油膨胀的体积约是水的5倍,那么在利用体积变化的刻度方面,水的刻度距离小,酒精和煤油的刻度距离大,相同的温度间隔距离大,不仅为测量和读数带来方便,且能够测量较小温度变化值。
3.由于比热容的原因
水的比热容为4.2×103J/kg·℃,水银、酒精、煤油的比热容分别为0.14×103J/kg·℃、2.4×103J/kg·℃、2.1×103J/kg·℃。水的比热容是水银的30倍,如果质量相同的水和水银,吸收相等的热量,水银升高的温度是水的30倍。可见用装水的温度计对于被测物体的温度影响大,达到热平衡的时间长;而水银温度计对于被测物体的温度影响小,达到热平衡的时间短。特别是测量比较小的物体,如果温度计对它有影响,其温度的测量值就不准确了。
4.由于水有反常膨胀现象的原因
水在4℃以上,与一般的物质相同是热胀冷缩的,而在0℃和4℃之间却是冷胀热缩,且这段冷胀热缩的系数与热胀冷缩的不同。这是水的一种特殊性质,如果温度计里装的是水,不仅无法标度0℃到4℃之间的刻度,在用这样的温度计测量4℃左右的温度时,无法确定其读数。
从以上的分析我们可以看出,温度计里不能装水的原因是多方面的,主要是根据液体的物理性质而选定。再则不同液体的温度计的测量范围和用途父各不相同,如酒精温度计就不能用于测量高温,体温计就是用的水银温度计等等。
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