2022年不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測量

1、系級學(xué)號實(shí)驗(yàn)報(bào)告評分：日期姓名實(shí)驗(yàn)題目：不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測量實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鉄醾鲗?dǎo)現(xiàn)象的物理過程，學(xué)習(xí)用穩(wěn)態(tài)平板法測量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)并利用作圖法求冷卻速率。實(shí)驗(yàn)原理： 1、導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)是反映材料熱性能的重要物理量。目前對導(dǎo)熱系數(shù)的測量均建立在傅立葉熱傳導(dǎo)定律的基礎(chǔ)上。本實(shí)驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)平板法。根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，當(dāng)物體內(nèi)部存在溫度梯度時，熱量從高溫向低溫傳導(dǎo)：dQdTdxdtdt其中 就是導(dǎo)熱系數(shù)。2、不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測量樣品為一平板，當(dāng)上下表面溫度穩(wěn)定在 T1、T2，以 hB表示樣品高度，SB 表樣品底面積：dQ T 1 T 2S Bdt h B由于溫差穩(wěn)定，那么可以用 A 在 T2附近的

2、 dT/dt（冷卻速率）求出 dQ/dt。根據(jù)散熱速率與散熱面積成正比，則dQR A(R A2hA)dQPR A2 h AdQPdt2R A(R AhA)dtR AhAdt又根據(jù)dQPmcdTdtdt有2mch B(RA)(2hA)hA)dT2 R B( T 1T2RAdt從而通過測量以上表達(dá)式中的量得到導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)裝置：如圖實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 評分：系 級 學(xué)號 姓名 日期實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 1、用游標(biāo)卡尺測量 A 、B 兩板的直徑、厚度（每個物理量測量 3 次）；2、正確組裝儀器后，打開加熱裝置，將電壓調(diào)至 250V 左右進(jìn)行加熱至一定溫度（對應(yīng) T 1 電壓值大約在 3.20-3.40mV ）；3

3、、將電壓調(diào)至 125V 左右，尋找穩(wěn)定的溫度（電壓），使得板上下面的溫度（電壓）10 分鐘內(nèi)的變化不超過 0.03mV ，記錄穩(wěn)定的兩個電壓值；4、直接加熱 A 板，使得其溫度相對于 T2上升 10 度左右；5、每隔 30s 記錄一個溫度（電壓）值，取相對 T2最近的上下各 6 個數(shù)據(jù)正式記錄下來；6、整理儀器；數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：幾何尺寸測量：序號1 直徑（ mm）3 1 厚度（ mm）3 2 2 A 板130.04 129.72 129.90 7.02 6.90 6.92 B 板129.42 129.44 129.52 8.02 7.92 8.00 表一： A、B 板的幾何尺寸測量結(jié)果A

4、質(zhì)量 m=806g ，比熱容 c=0.793kJ/kgK 。穩(wěn)定溫度（實(shí)際是電壓值）：T1：3.09mV T 2：2.73mV A 盤自由散熱過程中：T（用電壓， mV）1 2 3 4 5 6 2.98 2.93 2.88 2.83 2.78 2.73 T（用電壓， mV）7 8 9 10 11 12 2.68 2.64 2.59 2.55 2.51 2.47 表二：自由散熱溫度（最接近T 2 的 12 個）數(shù)據(jù)處理：將導(dǎo)熱系數(shù)的公式變形為D2 mch B(DAD4hA)A)dV2(V 1V2)(A2hdtBA 盤直徑的平均值DADA 1DA2DA3130.04129 .72129 .90mm

5、129 .89mm33B 盤直徑的平均值DBDB 1DB2DB3129 .42129 . 44129 .52mm129 .46 mm33A 盤厚度的平均值hAhA1hA2hA 37. 026 .906. 92mm6.95 mm33B 盤厚度的平均值h Bh B1系B2級8.02學(xué)號實(shí)驗(yàn)98報(bào)告評分：日期姓名hhB37 .928.00mm7 .mm33利用 ORIGIN 作圖得到 dV/dt ：3.02.9 B Linear Fit of Data1_B2.8V /m V2.72.62.52.4-50050100150200250300350t/s圖一： A 盤散熱過程線形擬合圖Linear R

6、egression for Data1_B: Y = A + B * X Parameter Value Error - A 2.97128 0.00413 B -0.00156 2.12215E-5 - R SD N P - -0.99907 0.00761 12 0.0001 - 從中得到 dV/dt=1.56 10-3mV/s 于是計(jì)算有：2mc hB(DA4 hA)dV3(0. 1298946. 95103).156103W/(mK)DB2(V 1V 2)(DA2 hA)dt20 .8060 . 3891037. 98103. 140. 129462(.3092. 73)(0 .129

7、8926 .95103)0. 45 W/(mK)測量列 DA 的標(biāo)準(zhǔn)差為實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 評分：系 級 學(xué)號 姓名 日期2( D A D Ai ) 2 2 2i ( 129 . 89 130 . 04 ) ( 129 . 89 129 . 72 ) ( 129 . 89 129 . 90 )( D A ) mm 0 . 16 mmn 1 3 1取 P=0.68，查表得 t 因子 tP=1.32，那么測量列 D A的不確定度的 A 類評定為t P ( D A ) 1 . 32 0 . 16 mm 0 . 12 mmn 3儀器（游標(biāo)卡尺）的最大允差 儀=0.02mm ，人讀數(shù)的估計(jì)誤差可取為 估=0

8、.02mm （一格），于是有2 2 2 2yi gu .0 02 0 . 02 mm 0 . 03 mm游標(biāo)卡尺為均勻分布，取 P=0.68，故 D A 的不確定度的 B 類評定為0 . 03u B ( D A ) mm 0 . 02 mmC 3于是合成不確定度U(DA)tP(DA)2kPuB(DA)20 .122( 10 .02)2mm0. 12mm ,P0 .683類似可以計(jì)算得（P 均為 0.68）：U（D B） =0.04mm，U（hA）=0.05mm ，U（hB）=0.04mm。對于電壓 V 的測量，由于在 10min 內(nèi)允許 0.03mV 的波動，那么就認(rèn)為（均勻分布） 。根據(jù) O

9、RIGIN 作圖結(jié)果有U（ dV/dt ）=2.12 10-5mV/s。由計(jì)算公式以及不確定度的傳遞規(guī)律，有U（V 1）=U（V2）=0.03mV/3=0.01mVU()2U(h B)2 U(DA)24 U(hA)22U(dV dt)2(4U(DB)2U( V 1)2U( V2)22U(DA)22 U(hA)22hBDA4 hdVDBV 1V2DA2h AA)(hA)22dt)22U( V1)2U( V2)22)22整理后就得到（P=0.95）UU(dV dt4U(DB)U(DA)22 U(hAU()U(h B2 U(DA)24 hBDA4 hdVDBV 1V2DA2hAA2(2.12dt4(

10、0. 0120. 012)2(0 . 1222)0 . 45(0. 04)2(0. 12240 . 0520 .04)20. 052)2)W/(mK105)27. 98129 .8946 .951 .56103129. 463.092 .73129.8926.950 . 02 W/(mK)于是最終結(jié)果表示成U()(0 .450 .02 )W/(mK),P0 . 68誤差來源的具體分析見思考題。實(shí)驗(yàn)小結(jié)： 1、本實(shí)驗(yàn)原理比較簡單，但是操作過程和數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜；2、實(shí)驗(yàn)操作中應(yīng)該注意用電安全，注意線路連接的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性（插口是不是接觸良好），系級學(xué)號實(shí)驗(yàn)報(bào)告評分：日期姓名同時在使用熱源時也要防

11、止?fàn)C傷；3、實(shí)驗(yàn)過程中比較關(guān)鍵的步驟是尋找溫度（電壓）的穩(wěn)定值點(diǎn)，也就是達(dá)到熱平衡的點(diǎn)，尋找過程中應(yīng)注意觀察 變電壓）；T 1、T2 的變化情況，根據(jù)變化情況適當(dāng)增大或者減小熱源的供熱（改4、在數(shù)據(jù)處理中，對 dV/dt 的誤差的分析很關(guān)鍵，但是我不知道怎么分析，暫且利用 ORIGIN中給出的 ERROR 作為不確定度的 A 類評定，且認(rèn)為 B 類評定相對于 A 類評定可以忽略，但從表達(dá)式和測量值的根本出發(fā)，比較合理的方式應(yīng)該是利用回歸分析，得到相關(guān)系數(shù) （不知道 ORIGIN 中給出的 R 是不是就是相關(guān)系數(shù)？）求解斜率（也就是 dV/dt ）的標(biāo)準(zhǔn)差，同時在考慮不確定度的B 類評定時，應(yīng)該對溫度和時間分開計(jì)算后合成，又或者應(yīng)該使用逐差法？還是沒有完全明白。思考題：1、 試分析實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生誤差的主要因素。Sol：一般來講， 熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中最大的誤差是熱量的耗散，這導(dǎo)致了在普通實(shí)驗(yàn)條件下對于熱量的測定是很不準(zhǔn)確的，這是一個很難避免的系統(tǒng)誤差。根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程和公式，知道實(shí)驗(yàn)中由測量帶來的誤差會體現(xiàn)在對物體幾何尺寸的測量、溫度（電壓）的測定（此時把材料的質(zhì)量、比熱容作為常量）、時間的測量上。根據(jù)最后的誤差傳遞公式，可以知道根號下各項(xiàng)中，數(shù)值最大的是關(guān)于 V 1、V 2