目的
用已知的电能熔化冰来测定冰的熔化比潜热,并用对照组校正周围环境的影响。
变量
- 操纵变量: 加热器是否开启(实验组)或关闭(对照组)
- 响应变量: 熔化的冰的质量 m
- 固定变量: 加热时间与加热器的功率
仪器与材料
- 浸入式加热器
- 碎冰
- 两个过滤漏斗
- 两个烧杯
- 电子天平
- 电源
- 电流表
- 电压表
- 秒表
- 铁架台
步骤
- 将碎冰装入两个漏斗,各在其下方放一个空烧杯;一个漏斗为实验组,另一个为对照组。
- 把浸入式加热器插入实验组漏斗,将其与电流表和电源串联,电压表并联在其两端。
- 让两个漏斗滴水至冰处于熔点,然后倒空并换上烧杯。
- 同时开启加热器和秒表,记录读数 V 和 I。
- 经过固定时间 t 后关闭加热器,用天平测量各烧杯所收集到的水的质量。
- 求出仅由加热器熔化的质量 m = m(实验组) − m(对照组)。
记录数据
记录 V、I 和加热时间 t,以及实验组与对照组漏斗所收集到的水的质量。经校正后由加热器熔化的质量为 m = m(实验组) − m(对照组)。
图表
本实验不需作图。对照组漏斗用于校正同一时间内因周围环境的热量而熔化的冰。
分析
所供电能熔化经校正的冰的质量:VIt = mL,其中 m 为校正后的质量。故熔化比潜热 L = VIt / m。
注意事项
- 使用对照组漏斗校正因周围环境而熔化的冰。
- 待冰在熔点(0 °C)开始滴水时才开始实验。
- 确保所有熔水都滴入烧杯,没有损失。
示例结果及其含义
以下是示例读数,并非评分方案。加热器在 V = 12 V、I = 4.0 A 下工作 t = 5.0 min(300 s),实验组漏斗收集到约 48.0 g 熔水,而对照组漏斗(不加热)在同样时间内收集到约 5.0 g。
对照组告诉你,约 5.0 g 是因室温而熔化的,并非加热器所致。相减即得仅由加热器熔化的质量:m = 48.0 − 5.0 = 43.0 g = 0.0430 kg。
若没有对照组,你会把全部 48.0 g 都算作加热器所致,得到的 L 约偏低 12%。开始前两个漏斗都必须在 0 °C 稳定滴水,使计时期间两者之间唯一的差别就是加热器,而且每一滴都必须落入烧杯,不能损失熔水。
从读数中求解
本实验不需作图,答案来自校正后的质量和电能。先换算收集到的质量:校正质量 m = m(实验组) − m(对照组) = 48.0 g − 5.0 g = 43.0 g = 0.0430 kg。
所供电能熔化该质量:VIt = mL。故 L = VIt ÷ m = (12 V × 4.0 A × 300 s) ÷ 0.0430 kg = 14400 J ÷ 0.0430 kg = 3.35 × 10⁵ J kg⁻¹。
这接近冰的熔化比潜热公认值,约 3.34 × 10⁵ J kg⁻¹。若跳过对照组而用 48.0 g,则得 3.0 × 10⁵ J kg⁻¹,明显偏低,这说明为什么对照校正是本方法的核心。
评分者看重的要点
这里的“操纵变量”其实是一个对照:实验组漏斗加热器开、对照组关,加热时间 t / s 相同、功率相同并保持不变。指明对照组漏斗并解释它校正了什么,是最有价值的一点。
记录 V / V、I / A、t / s,以及质量 m(实验组) / g 和 m(对照组) / g,再记录校正后的 m / kg,小数位一致、标题带单位。值得得分的公平测试细节:两个漏斗都在熔点稳定滴水时才开始计时;除加热器外两个漏斗保持完全相同;确保所有熔水都滴入烧杯。
给出带单位的 L(J kg⁻¹),并指出少量散热或漏斗中残留的少量水会使数值与公认值略有偏差。不要把某一时刻的实验组与另一时刻的对照组比较,两者必须同时计时。
来源: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)