固體線脹系數(shù)的測(cè)定課件

1、 各種材料的各種材料的熱脹冷縮的強(qiáng)弱熱脹冷縮的強(qiáng)弱是不同的，為了定是不同的，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性的物理量線脹系數(shù)線脹系數(shù)和和體脹系數(shù)體脹系數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介】【實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介】 熱脹冷縮熱脹冷縮 工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 應(yīng)用應(yīng)用 機(jī)械和儀器的制造機(jī)械和儀器的制造 材料的加工材料的加工原因原因 物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)加劇或減弱物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)加劇或減弱【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹俊緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?測(cè)定金屬的線脹系數(shù)，并學(xué)習(xí)一種測(cè)量微小測(cè)定金屬的線脹系數(shù)，并學(xué)習(xí)一種測(cè)量微小長(zhǎng)度的方法。長(zhǎng)度的方法。 【實(shí)驗(yàn)原理】【實(shí)驗(yàn)原理】 1材料的線脹系數(shù)材料的

2、線脹系數(shù) 材料的線膨脹是材料受熱膨脹時(shí)，在一維方向上材料的線膨脹是材料受熱膨脹時(shí)，在一維方向上的伸長(zhǎng)。的伸長(zhǎng)。 在一定的溫度范圍內(nèi)，固體受熱后，其長(zhǎng)度會(huì)增在一定的溫度范圍內(nèi)，固體受熱后，其長(zhǎng)度會(huì)增加，設(shè)物體原長(zhǎng)為加，設(shè)物體原長(zhǎng)為 L，由初溫，由初溫 t1 加熱至末溫加熱至末溫 t2，物，物體伸長(zhǎng)為體伸長(zhǎng)為 物體受熱后，其伸長(zhǎng)量與溫度的增加量成正比，物體受熱后，其伸長(zhǎng)量與溫度的增加量成正比，和原長(zhǎng)也成正比。比例系數(shù)稱為固體的線脹系數(shù)。和原長(zhǎng)也成正比。比例系數(shù)稱為固體的線脹系數(shù)。 )(12ttLLl)(12ttLLl 2線脹系數(shù)的測(cè)量線脹系數(shù)的測(cè)量 線脹系數(shù)是選材的一項(xiàng)重要指標(biāo)，不同材料線脹系數(shù)是

3、選材的一項(xiàng)重要指標(biāo)，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，石英的線脹系數(shù)很小，因此，次是金屬、殷鋼，石英的線脹系數(shù)很小，因此，殷鋼、石英多被用在精密測(cè)量?jī)x器中。殷鋼、石英多被用在精密測(cè)量?jī)x器中。 下表給出了幾種材料的線脹系數(shù)。下表給出了幾種材料的線脹系數(shù)。鋼鋼鐵鐵鋁鋁玻璃玻璃 陶瓷陶瓷 殷鋼殷鋼 石英石英10-510-510-510-610-610-610-710/Cl L是一個(gè)微小變化量。以金屬為例，若原長(zhǎng)是一個(gè)微小變化量。以金屬為例，若原長(zhǎng)為為 300mm，溫度變化，溫度變化100，金屬的線脹系數(shù)，金屬的線脹系數(shù) 約為約

4、為10-5-1，可以估計(jì)出，可以估計(jì)出L 0.30mm。 考慮到測(cè)量方便和測(cè)量精度，本實(shí)驗(yàn)采用考慮到測(cè)量方便和測(cè)量精度，本實(shí)驗(yàn)采用光杠桿光杠桿法法測(cè)量。測(cè)量。 光杠桿系統(tǒng)光杠桿系統(tǒng)是由平面鏡及底座，望遠(yuǎn)鏡和標(biāo)尺是由平面鏡及底座，望遠(yuǎn)鏡和標(biāo)尺組成的。組成的。 l)(12ttLLl （3）由上圖可知由上圖可知lLDbb122DbblL2)(12【實(shí)驗(yàn)儀器】【實(shí)驗(yàn)儀器】 線脹系數(shù)測(cè)定儀、光杠桿、望遠(yuǎn)鏡和標(biāo)尺、線脹系數(shù)測(cè)定儀、光杠桿、望遠(yuǎn)鏡和標(biāo)尺、數(shù)字溫度計(jì)、鋼卷尺、游標(biāo)卡尺、待測(cè)銅管。數(shù)字溫度計(jì)、鋼卷尺、游標(biāo)卡尺、待測(cè)銅管。)(2)(12121ttLDlbb)(12ttLLln【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】【實(shí)

5、驗(yàn)內(nèi)容與步驟】 1用鋼卷尺測(cè)量（一次）待測(cè)銅管的原長(zhǎng)用鋼卷尺測(cè)量（一次）待測(cè)銅管的原長(zhǎng)L后，后，將其放入將其放入線脹系數(shù)測(cè)定儀的加熱線脹系數(shù)測(cè)定儀的加熱金屬圓筒金屬圓筒中；中； 2調(diào)節(jié)光杠桿的前后足尖的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)光杠桿的前后足尖的長(zhǎng)度l，將光杠桿的將光杠桿的后足尖置于待測(cè)銅管的上端，二前足尖置于固定后足尖置于待測(cè)銅管的上端，二前足尖置于固定臺(tái)上的溝槽中，鏡面豎直放置。臺(tái)上的溝槽中，鏡面豎直放置。 3在光杠桿前在光杠桿前11.2m處放置望遠(yuǎn)鏡及標(biāo)尺架，處放置望遠(yuǎn)鏡及標(biāo)尺架，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡及標(biāo)尺架處于水平且與平面鏡等高。調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡及標(biāo)尺架處于水平且與平面鏡等高。 4調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡及標(biāo)尺架的鏡及標(biāo)尺架

6、的位置和望遠(yuǎn)鏡位置和望遠(yuǎn)鏡的仰角，沿望的仰角，沿望遠(yuǎn)鏡軸線方向遠(yuǎn)鏡軸線方向（借助望遠(yuǎn)鏡（借助望遠(yuǎn)鏡上的準(zhǔn)星）能上的準(zhǔn)星）能通過(guò)鏡面看到通過(guò)鏡面看到標(biāo)尺（實(shí)際是標(biāo)尺（實(shí)際是看到標(biāo)尺在鏡看到標(biāo)尺在鏡后的成像）。后的成像）。 5調(diào)節(jié)目鏡，看清十字叉絲，調(diào)節(jié)調(diào)焦手輪，看調(diào)節(jié)目鏡，看清十字叉絲，調(diào)節(jié)調(diào)焦手輪，看清標(biāo)尺的像，并使像與十字叉絲之間無(wú)視差，即清標(biāo)尺的像，并使像與十字叉絲之間無(wú)視差，即眼睛上下移動(dòng)時(shí)，標(biāo)尺與叉絲沒(méi)有相對(duì)移動(dòng)。眼睛上下移動(dòng)時(shí)，標(biāo)尺與叉絲沒(méi)有相對(duì)移動(dòng)。 6當(dāng)金屬筒被加熱后，待測(cè)銅管逐漸伸長(zhǎng)，每間當(dāng)金屬筒被加熱后，待測(cè)銅管逐漸伸長(zhǎng)，每間隔隔10記錄一次望遠(yuǎn)鏡叉絲橫線所對(duì)標(biāo)尺的數(shù)值，記錄

7、一次望遠(yuǎn)鏡叉絲橫線所對(duì)標(biāo)尺的數(shù)值，測(cè)量測(cè)量6到到7個(gè)點(diǎn)。個(gè)點(diǎn)。1234567t/b/mm 7以以t（）為橫坐標(biāo)，）為橫坐標(biāo)，b（mm）為縱坐標(biāo)，在）為縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)紙上作出坐標(biāo)紙上作出t-b關(guān)系曲線，求直線斜率關(guān)系曲線，求直線斜率k。 )/()(1212ttbbk 8用米尺測(cè)量（一次）標(biāo)尺到平面鏡間的距離用米尺測(cè)量（一次）標(biāo)尺到平面鏡間的距離D。D 9將光杠桿在白紙上輕輕壓出三個(gè)足尖印痕，將光杠桿在白紙上輕輕壓出三個(gè)足尖印痕，用游標(biāo)卡尺測(cè)量（一次）其后足尖到兩前足尖連用游標(biāo)卡尺測(cè)量（一次）其后足尖到兩前足尖連線的距離線的距離l。 l 10計(jì)算銅管的計(jì)算銅管的線脹系數(shù)線脹系數(shù)LDlkl222BA

8、U222)()()(lUDULUUUlDLlrlrlUUl)(計(jì)算值mmUUinstBDL5 . 0mmUinstl02. 0【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】)()()()(10CUmmUlmmUDmmULlllDL計(jì)算值測(cè)量值測(cè)量值測(cè)量值n【實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求】【實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求】 1實(shí)驗(yàn)名稱實(shí)驗(yàn)名稱 2實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器 3實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?4實(shí)驗(yàn)原理及所采用的實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)原理及所采用的實(shí)驗(yàn)方法 5實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 6原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù) 7數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理n【注意事項(xiàng)】【注意事項(xiàng)】1.1.在測(cè)量過(guò)程中在測(cè)量過(guò)程中不能碰動(dòng)不能碰動(dòng)線脹系數(shù)測(cè)定儀，光杠桿及望線脹系數(shù)測(cè)定儀，光杠桿及望遠(yuǎn)鏡的整個(gè)系統(tǒng)（打開(kāi)加熱開(kāi)關(guān)

9、時(shí)一定要輕），稍有遠(yuǎn)鏡的整個(gè)系統(tǒng)（打開(kāi)加熱開(kāi)關(guān)時(shí)一定要輕），稍有碰動(dòng)實(shí)驗(yàn)得從頭做起；碰動(dòng)實(shí)驗(yàn)得從頭做起；2. 2. 禁止用手摸禁止用手摸反射鏡、望遠(yuǎn)鏡的目鏡及物鏡鏡面，實(shí)反射鏡、望遠(yuǎn)鏡的目鏡及物鏡鏡面，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后要用鏡套把鏡面套好；驗(yàn)結(jié)束后要用鏡套把鏡面套好；3. 3. 用望遠(yuǎn)鏡讀出叉絲橫線在標(biāo)尺上的讀數(shù)用望遠(yuǎn)鏡讀出叉絲橫線在標(biāo)尺上的讀數(shù)b b時(shí)，時(shí)，不要壓不要壓桌面桌面； 4.4.該實(shí)驗(yàn)在測(cè)量讀數(shù)時(shí)是在該實(shí)驗(yàn)在測(cè)量讀數(shù)時(shí)是在溫度連續(xù)變化溫度連續(xù)變化時(shí)進(jìn)行，因此時(shí)進(jìn)行，因此讀數(shù)時(shí)要讀數(shù)時(shí)要快而準(zhǔn)快而準(zhǔn)。 5. 5. 實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡量實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡量減少走動(dòng)和震動(dòng)減少走動(dòng)和震動(dòng)，保持安靜保持安靜，以免影

10、，以免影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。響測(cè)量的準(zhǔn)確性。n【教學(xué)要求】【教學(xué)要求】 1測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)；測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)； 2多項(xiàng)測(cè)量?jī)?nèi)容都有互相交叉的內(nèi)容，應(yīng)考察學(xué)多項(xiàng)測(cè)量?jī)?nèi)容都有互相交叉的內(nèi)容，應(yīng)考察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否前后一致；生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否前后一致； 3考察實(shí)驗(yàn)報(bào)告的結(jié)果是否與原始數(shù)據(jù)相符。考察實(shí)驗(yàn)報(bào)告的結(jié)果是否與原始數(shù)據(jù)相符。n【實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)和難點(diǎn)】【實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)和難點(diǎn)】 1固體的體脹系數(shù)的理論原理和實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法以固體的體脹系數(shù)的理論原理和實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法以及光杠桿原理；及光杠桿原理； 2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：結(jié)果的有效數(shù)字、不確定度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：結(jié)果的有效數(shù)字、不確定度的正確表達(dá)；正確表

11、達(dá)； 3光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、升溫快慢的掌握、鏡面角度光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、升溫快慢的掌握、鏡面角度的變化對(duì)讀數(shù)的影響等。的變化對(duì)讀數(shù)的影響等。 n【預(yù)習(xí)抽查問(wèn)題與思考題】【預(yù)習(xí)抽查問(wèn)題與思考題】 1. 實(shí)驗(yàn)中各長(zhǎng)度量用不同的儀器來(lái)測(cè)定，是怎樣實(shí)驗(yàn)中各長(zhǎng)度量用不同的儀器來(lái)測(cè)定，是怎樣考慮的？為什么？考慮的？為什么？ 2. 本實(shí)驗(yàn)中固體的線脹系數(shù)測(cè)量誤差的傳遞公式本實(shí)驗(yàn)中固體的線脹系數(shù)測(cè)量誤差的傳遞公式是什么？主要測(cè)量誤差有哪些？請(qǐng)估算各測(cè)量量是什么？主要測(cè)量誤差有哪些？請(qǐng)估算各測(cè)量量的不確定度。的不確定度。 3. 材料線脹系數(shù)跟材料的哪些性質(zhì)有關(guān)？材料線脹系數(shù)跟材料的哪些性質(zhì)有關(guān)？ 4. 本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量公式要求滿足哪些實(shí)驗(yàn)條件？實(shí)本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量公式要求滿足哪些實(shí)驗(yàn)條件？實(shí)驗(yàn)中應(yīng)如何保證？驗(yàn)中應(yīng)如何保證？ 5. 安裝、調(diào)整儀器時(shí)