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電流と熱

物体に電流を流したとき,熱が発生することを確かめ,発生したジュール熱によって水の比熱を算出する。

電流と熱

電力は、われわれが日常的に使用する身近なエネルギー源である。その用途は様々であるが、熱源としても、暖房器具、調理器具などに使用されている。

この実験では、電源とコイルを用いた簡単な装置で熱を発生させる。さらに、エネルギー保存則を用いて、水の比熱を求める。

概要

電線に電流を流すと熱が発生することはよく知られている。ある抵抗持った電線に電圧Vを加え、電流Iをt秒間流したときに生じる電気的エネルギーWは


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である。このエネルギーは、導体(電線)内電子のミクロな振る舞いにより、熱エネルギーに変換される。この熱のことをジュール熱という。

電線をある物体(本実験の場合は水)に接触させておくと、物体の温度は上昇する。物体の質量をM、比熱をC、温度上昇をΔTとすると、エネルギー保存則は


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である。この式から、物体の比熱Cを決定することができる。

実際の装置では、直流電源にニクロム線を接続し、発熱箇所を水に浸すことにより水と容器の温度を上昇させる。温度上昇を測定することにより、比熱を決定する。

特徴

水の入っている容器を断熱材で囲むことにより、外部との熱の出入りを抑えている。
電気エネルギーが熱に変わる様子を体感できる。

実験の流れ

詳細については、実験マニュアルを参照

画像

手順

(lightboxで画像ウインドウが開きます)装置の配線をする。熱量計に水を入れる。

装置の配線をする。熱量計に水を入れる。

(lightboxで画像ウインドウが開きます)装置の配線をする。熱量計に水を入れる。

装置の配線をする。熱量計に水を入れる。

実施時の注意点

水をかきまぜる作業は重要で、これを行わないと水の温度が均一に保たれない。退屈な作業であるが、しっかり行うように指導する。

測定量

水の比熱

標本数

300

平均値

4.31 [J/gK]

標準偏差

0.31 [J/gK]

文献値

4.18 [J/gK]

実験マニュアル

電流と熱.pdf  pdf (602KB)

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