北航不良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的測量研究性實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、基礎(chǔ)物理研究性實(shí)驗(yàn)報(bào)告不良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的測定作 者： 馬夢弟學(xué) 號(hào)： 11041065所在院系：能源與動(dòng)力工程學(xué)院2012年12月9日目錄摘要：2Abstract2一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)原理31、基本原理32、 熱電偶測溫原理4三、實(shí)驗(yàn)儀器5四、實(shí)驗(yàn)步驟5五、數(shù)據(jù)處理6六、誤差分析8七、探究：改變冷端溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響9八、感想和改進(jìn)意見12附：13摘要： 本研究性報(bào)告以“A04不良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的測量”實(shí)驗(yàn)為深入研究探討的課題，簡單介紹不良導(dǎo)體熱導(dǎo)率測量的基本原理以及操作步驟等，重點(diǎn)進(jìn)行改變某個(gè)實(shí)驗(yàn)條件后實(shí)驗(yàn)的誤差分析，從而進(jìn)一步了解在實(shí)驗(yàn)過程中控制實(shí)驗(yàn)條件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重要性，對(duì)今后誤差分析有一定的

2、作用。關(guān)鍵詞：不良導(dǎo)體 熱導(dǎo)率 實(shí)驗(yàn)條件AbstractThe research report "A04 poor conductor of heat conductivity measurement experiments for in-depth study of the themes, brief poor conductor of thermal conductivity measurement of the basic principles and steps, focusing on experimental error after changing certain ex

3、perimental conditionsanalysis, so as to further understanding of the importance of experimental conditions on the experimental results, the future error analysis of the role of control in the course of the experiment.Keywords: Poor conductor Thermal conductivity experiments conditions一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)會(huì)正確使用量熱

4、器和數(shù)學(xué)三用表的方法；2學(xué)習(xí)用穩(wěn)態(tài)法測非良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)； 3掌握熱傳導(dǎo)的基本公式傅里葉導(dǎo)熱方程。二、實(shí)驗(yàn)原理1、基本原理本實(shí)驗(yàn)利用熱源在待測樣品內(nèi)部形成不隨時(shí)間改變的穩(wěn)定溫度分布，然后進(jìn)行測量，即穩(wěn)態(tài)法。1882年Fourier給出了熱傳導(dǎo)的基本公式Fourier導(dǎo)熱方程。方程指出，在物體內(nèi)部，取兩個(gè)垂直于熱傳導(dǎo)方向、彼此相距為、溫度分別為、（設(shè)），若平面面積為，則在時(shí)間內(nèi)通過面積的熱量滿足下述方程： （2.1.1）式中，為熱流強(qiáng)度，稱為該物質(zhì)的熱導(dǎo)率（又稱導(dǎo)熱系數(shù)），單位為W/()。 本實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。在支架D上依次放上圓銅盤P、待測樣品B和厚底紫銅圓盤A。在A的上方用紅外燈L加熱，使

5、樣品上、下表面分別維持在穩(wěn)定的溫度、，、分別與插入在A、P側(cè)面深孔中的熱電偶E來測量。E的冷端浸入盛于杜瓦瓶H內(nèi)的冰水混合物中。數(shù)字式電壓表F用來測量溫差電動(dòng)勢。由式（2.1.1）知，單位時(shí)間通過待測樣品B任一圓截面的熱流量為 （2.1.2）式中，為圓盤樣品的直徑，為樣品厚度。當(dāng)傳熱達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，通過B盤上表面的熱流量與由黃銅盤P向周圍環(huán)境散熱的速率相等。因此，通過求黃銅盤P在穩(wěn)定溫度時(shí)的散熱速率來求熱流量。因此，在讀到穩(wěn)定的、后，將B移去，使A直接與P接觸。當(dāng)P的溫度上升到高于穩(wěn)定時(shí)讀數(shù)若干度后，再將A移開，讓P自然冷卻。測量其溫度隨時(shí)間的變化，求得，則穩(wěn)態(tài)黃銅盤散熱速率表達(dá)式修正如下：

6、（2.1.3）將式（2.1.3）代入（2.1.2），得， （2.1.4）2、 熱電偶測溫原理本實(shí)驗(yàn)采用銅-康銅熱電偶測溫度。基本原理是：由兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路。如果他們的節(jié)點(diǎn)處于不同的溫度和，則回路中就會(huì)有熱電動(dòng)勢。通常取，稱為冷端；置于被測介質(zhì)中，就可以用來確定介質(zhì)的溫度?？梢宰C明：在熱電偶回路中接入的中間導(dǎo)體兩端溫度想同，熱電偶總回路的就不會(huì)變化。溫差電動(dòng)勢用數(shù)字電壓表測量。對(duì)銅-康銅熱電偶而言，其中。故實(shí)驗(yàn)中選取能讀到0.01mv的電壓擋。三、實(shí)驗(yàn)儀器紅外燈源，銅盤，圓筒，杜瓦瓶，數(shù)字毫安表，游標(biāo)卡尺四、實(shí)驗(yàn)步驟1：用游標(biāo)卡尺多次測量銅盤，樣品的直徑，厚度，用電子天平測銅盤

7、的質(zhì)量。2：在杜瓦瓶中裝冰水混合物，按電路圖連接電路。（注意：在安放散熱盤和發(fā)熱體時(shí)要注意使放熱電偶的小孔上下對(duì)齊，并與杜瓦瓶等在同一側(cè)。）3：打開加熱器開關(guān)，打開風(fēng)扇，為縮短達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，可先將熱板電源電壓打在220V檔，當(dāng)幾分鐘后1=4.00mV再將開關(guān)撥至110V檔。然后每隔2分鐘讀一下溫度，當(dāng)10min內(nèi)，樣品圓盤上、下表面溫度1、2示值都不變時(shí)，即可認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，記錄此時(shí)的1、2值。4：抽出樣品，關(guān)閉風(fēng)扇，讓底盤C與散熱盤P直接接觸，加熱P盤，當(dāng)溫度上升十?dāng)z氏度左右時(shí)（即熱電偶示值大于穩(wěn)態(tài)時(shí)2值0.42mV左右）移去發(fā)熱體。5：讓P盤自然冷卻，每隔30s讀一次P盤的溫度（讀電壓

8、表示數(shù)）示值，由鄰近2值的溫度數(shù)據(jù)中求出冷卻速率。6：整理實(shí)驗(yàn)器材，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。五、數(shù)據(jù)處理所使用材料的尺寸及質(zhì)量：123平均銅盤質(zhì)量/g871.33871.33871.33871.33銅盤直徑/mm129.86129.80129.78129.81銅盤厚度/mm7.387.407.427.40樣品直徑/mm129.90129.82129.94129.89樣品厚度/mm7.647.707.667.67穩(wěn)定時(shí)的示數(shù)： 1=4.08mv 2=2.74mv銅盤自然冷卻時(shí)2隨時(shí)間的變化情況：時(shí)間t/min00.5 1.01.52.02.53.03.5/mv3.193.163.103.042.972.922

9、.872.81時(shí)間t/min4.04.55.05.56.0/mv2.762.712.672.632.58則由圖象得=-0.10588mv/min, 另外銅的比熱容為 C=393.6J/(KgK),代入數(shù)據(jù)得：K=mpctdP+4hPdP+2hPhB1-22dB2=871.33×10-3×393.6×0.10588×160×129.81+4×7.40129.81+2×7.40×7.67×10-34.08-2.74×2×(129.89×10-3)2=0.144 w/(mK)不確定

10、度分析：綜合考慮電子天平、溫度、游標(biāo)卡尺等引起的誤差，可計(jì)算得：u(k)k=u(m)m2+u(dp+4hp)dp+4hp2+u(dp+2hp)dp+2hp2+u(hb)hb2+u(1-2)1-22+2u(db)db2=0.0216u(k)= 0.0216×0.144 w/(mK) = 3.1104×10-3 w/(mK)所以最終表達(dá)式為k±uk=0.144±0.0v03 w/(mK)六、誤差分析1、進(jìn)行長度，質(zhì)量進(jìn)行測量時(shí)的測量誤差，以及數(shù)字毫伏表的測量誤差。2、環(huán)境溫度的不恒定，導(dǎo)致銅盤無法達(dá)到絕對(duì)的穩(wěn)態(tài)，影響測量的數(shù)值，造成實(shí)驗(yàn)誤差。3、樣品與銅盤之

11、間可能沒有完全貼合，導(dǎo)致兩者之間存有空隙，熱量的傳導(dǎo)受到影響。4、銅盤在自然冷卻時(shí)，由于教室中人員頻繁走動(dòng)使銅盤周圍空氣流動(dòng)，使銅盤冷卻速率的測量受到影響。5、處理數(shù)據(jù)時(shí)使用人為作圖法，存有誤差。七、探究：改變冷端溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響實(shí)驗(yàn)中，電偶極的冷端應(yīng)該維持在0，以保證溫差電動(dòng)勢與待測溫度之比是一個(gè)常數(shù)，然而在實(shí)驗(yàn)過程中，冷端的冰塊融化，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，本實(shí)驗(yàn)即探究冰塊融化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。數(shù)據(jù)記錄及處理：初始水溫 0 終態(tài)水溫 18實(shí)驗(yàn)的器材的各個(gè)尺寸及質(zhì)量均與上述實(shí)驗(yàn)相同123平均銅盤質(zhì)量/g871.33871.33871.33871.33銅盤直徑/mm129.86129.80129

12、.78129.81銅盤厚度/mm7.387.407.427.40樣品直徑/mm129.90129.82129.94129.89樣品厚度/mm7.647.707.667.67穩(wěn)定時(shí)的示數(shù)： 1=3.51mv 2=2.20mv銅盤自然冷卻時(shí)2隨時(shí)間的變化情況：時(shí)間t/min00.5 1.01.52.02.53.03.52/mv2.702.622.572.512.452.402.36 2.30時(shí)間t/min4.04.55.05.56.02/mv2.252.212.162.122.08則由圖象得t|=2=-0.1037mv/min, 另外銅的比熱容為 C=393.6J/(KgK),代入數(shù)據(jù)得：K=mp

13、ctdP+4hPdP+2hPhB1-22dB2=871.33×10-3×393.6×0.1037×160×129.81+4×7.40129.81+2×7.40×7.67×10-33.51-2.20×2×(129.89×10-3)2=0.145 w/(mK)相對(duì)誤差為 =|K-K|K×100%=0.69%結(jié)果分析：從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出雖然實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的絕對(duì)值與標(biāo)準(zhǔn)值（即電偶極冷端恒定為0時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）相差很多，但1-2與1-2以及銅盤冷卻時(shí)2隨時(shí)間的變化率相差并不大，這樣導(dǎo)致了改變實(shí)驗(yàn)條件對(duì)最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并沒有產(chǎn)生很大的影響。經(jīng)分析原因可能是，實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長，使得在加熱銅盤和樣品使1與2到達(dá)穩(wěn)態(tài)的過程中，電偶極冷端的水溫已經(jīng)達(dá)到了室溫，在之后的測量過程中，其冷端溫度并沒有發(fā)生劇烈變化，溫差電動(dòng)勢與待測溫度之比仍然是一個(gè)常數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果并未受到太大影響。結(jié)論：在實(shí)驗(yàn)時(shí)間足夠長的條件下，若冰塊融化并未發(fā)生在測量數(shù)據(jù)的過程中，則對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不大。八、感想和改進(jìn)意見本實(shí)驗(yàn)原理很簡單，需要測量的數(shù)據(jù)和最終的數(shù)據(jù)處理也很簡單，但實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間較長，這