固體熱膨脹系數(shù)測量_實驗報告

1、大學(xué)物理仿真實驗 年 月 日實驗項目名稱：固體熱膨脹系數(shù)測量一、實驗?zāi)康?. 掌握測量固體線熱膨脹系數(shù)的基本原理。2. 掌握大學(xué)物理仿真實驗軟件的基本操作方法。3. 測量銅棒的線熱膨脹系數(shù)。4. 學(xué)會用圖解圖示法處理實驗數(shù)據(jù)。2、 實驗原理1材料的熱膨脹系數(shù)各種材料熱脹冷縮的強弱是不同的，為了定量區(qū)分它們，人們找到了表征這種熱脹冷縮特性的物理量，線脹系數(shù)和體脹系數(shù)。線膨脹是材料在受熱膨脹時，在一維方向上的伸長。在一定的溫度范圍內(nèi)，固體受熱后，其長度都會增加，設(shè)物體原長為 L,由初溫t1加熱至末溫 t2，物體伸長了 L,則有上式表明，物體受熱后其伸長量與溫度的增加量成正比，和原長也成正比。比例系

2、數(shù)al稱為固體的線脹系數(shù)。體膨脹是材料在受熱時體積的增加，即材料在三維方向上的增加。體膨脹系數(shù)定義為在壓力不變的條件下，溫度升高1K所引起的物體體積的相對變化，用av表示。即一般情況下，固體的體脹系數(shù)av為其線脹系數(shù)的3倍，即 av=3al，利用已知的av和T，我們可測出液體的體脹系數(shù)av。2線脹系數(shù)的測量線膨脹系數(shù)是選用材料時的一項重要指標(biāo)。實驗表明，不同材料的線脹系數(shù)是不同的，塑料的線脹系數(shù)最大，其次是金屬。殷鋼、熔凝石英的線脹系數(shù)很小，由于這一特性，殷鋼、石英多被用在精密測量儀器中。表1.2.1-1給出了幾種材料的線脹系數(shù)。幾種材料的線熱膨張系數(shù)材料鋼鐵鋁玻璃陶瓷熔凝石英Al/10-51

3、0-510-510-610-610-7人們在實驗中發(fā)現(xiàn)，同一材料在不同的溫度區(qū)域，其線脹系數(shù)是不同的，例如某些合金，在金相組織發(fā)生變化的溫度附近，會出現(xiàn)線脹系數(shù)的突變。但在溫度變化不大的范圍內(nèi)，線脹系數(shù)仍然是一個常量。因此，線脹系數(shù)的測量是人們了解材料特性的一種重要手段。在設(shè)計任何要經(jīng)受溫度變化的工程結(jié)構(gòu)（如橋梁、鐵路等）時，必須采取措施防止熱脹冷縮的影響。例如，在長的蒸氣管道上，可以插入一些可伸縮的接頭或插入一段U型管；在橋梁中，可將橋的一端固牢在橋墩上，把另一端放在滾軸上；在鐵路上，兩根鋼軌接頭處要留有間隙等。在式（1）中，L 是一個微小的變化量，以金屬為例，若原長 L=300mm，溫度變

4、化 t1-t2=100，金屬的線脹系數(shù) al約為 10-5，估計 L=0.30mm。這樣微小的長度變化，普通米尺、游標(biāo)卡尺的精度是不夠的，可采用千分尺、讀數(shù)顯微鏡、光杠桿放大法、光學(xué)干涉法等。考慮到測量方便和測量精度，我們采用光杠桿法測量光杠桿系統(tǒng)是由平面鏡及底座，望遠(yuǎn)鏡和米尺組成的。光杠桿放大原理如圖1.2.1-1所示。當(dāng)金屬桿伸長時，從望遠(yuǎn)鏡中可讀出待測桿伸長前后叉絲所對標(biāo)尺的讀數(shù) b1，b2 ，這時有將式（3）代入式（2），則有放大公式的推導(dǎo)參看第一冊實驗5.3.1 3、 實驗儀器計算機，<<大學(xué)物理仿真實驗>>教學(xué)軟件四、實驗內(nèi)容及步驟1線脹系數(shù)的測定

5、（1）    儀器調(diào)節(jié)：實驗裝置圖如圖1.2.1-2所示。實驗時，將待測金屬棒直立在線脹系數(shù)測定儀的金屬圓筒中，棒的下端要和基座緊密相連，上端露出筒外，裝好溫度計，將光杠桿的后足尖置于金屬棒的上端，二前足尖置于固定臺上。在光杠桿前1m左右放置望遠(yuǎn)鏡及直尺。調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡，直到看清楚平面鏡中直尺的像，反復(fù)調(diào)節(jié)，使標(biāo)尺成像清晰，且叉絲也清晰，并使像與叉絲之間無視差，即眼睛上下移動時，標(biāo)尺與叉絲沒有相對移動。（2）    讀出叉絲橫線在直尺上的讀數(shù) b1，記錄初溫 t1，蒸氣進入金屬筒后，金屬棒迅速伸長，待溫度計的讀數(shù)穩(wěn)定幾分鐘后，讀出望遠(yuǎn)鏡叉

6、絲橫線所對直尺的數(shù)值 b2，并記下 t2。（3）    如果線脹儀采用電加熱，測量可從室溫開始，每間隔 10計一次t和b的值，直到t達(dá) 100。然后逐漸降溫，重復(fù)測以上數(shù)據(jù)。（4）    測量直尺到平面鏡間距離D，將光杠桿在白紙上輕輕壓出三個足尖印痕，用游標(biāo)卡尺測量其后足尖到兩前足尖連線的距離 。（5）    以t為橫坐標(biāo),b為縱坐標(biāo)作出b-t關(guān)系曲線,求直線斜率k,并由此計算 （6）    用最小二乘法求直線斜率k,并計算 al的標(biāo)準(zhǔn)誤差。 5、 實驗數(shù)據(jù)記錄與處理固體線膨脹系數(shù)測量實驗數(shù)據(jù)溫度T（）1020304