金屬線脹系數(shù)的測(cè)量

1、實(shí)驗(yàn)二十七金屬線脹系數(shù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)二十七金屬線脹系數(shù)的測(cè)量絕大多數(shù)物質(zhì)具有熱脹冷縮的特性，在一維情況下，固體受熱后長(zhǎng)度的增加稱為線膨脹。在相同條件下，不同材料的固體，其線膨脹的程度各不相同，我們引入線膨脹系數(shù)來(lái)表征物質(zhì)的膨脹特性。線膨脹系數(shù)是物質(zhì)的基本物理參數(shù)之一，在道路、橋梁、建筑等工程設(shè)計(jì)，精密儀器儀表設(shè)計(jì)，材料的焊接、加工等各種領(lǐng)域，都必須對(duì)物質(zhì)的膨脹特性予以充分的考慮。利用本實(shí)驗(yàn)提供的固體線膨脹系數(shù)測(cè)量?jī)x和溫控儀，能對(duì)固體的線膨脹系數(shù)予以準(zhǔn)確測(cè)量?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康?】1測(cè)定固體樣品的線脹系數(shù)，了解線脹系數(shù)的概念并進(jìn)行實(shí)際測(cè)量；2了解溫度傳感器的特性，對(duì)溫度傳感器溫度、輸出特性進(jìn)行具體的測(cè)量；3

2、了解掌握測(cè)微小位移的一種方法數(shù)字千分表測(cè)量法?！緦?shí)驗(yàn)儀器】金屬線膨脹實(shí)驗(yàn)儀、ZKY-PID 溫控實(shí)驗(yàn)儀、千分表【實(shí)驗(yàn)原理】為了定量的描述固體材料的熱脹冷縮特性，在物理學(xué)中引進(jìn)了線脹系數(shù)的概念。線脹系數(shù)定義為固體溫度上升1時(shí)， 其線度伸長(zhǎng)量與0是的線度 L0 之比，設(shè)固體溫度升高到 t 時(shí)的長(zhǎng)度為L(zhǎng) ，則線脹系數(shù)為：L L0（ 27-1 ）L0t根據(jù)上式測(cè)定線脹系數(shù)時(shí)，L0的測(cè)定不易實(shí)現(xiàn)， 下面我們推求初溫不為0時(shí)，線脹系數(shù)的表示式。若固體溫度由 t1 升到 t2 ，其長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1 、 L2 ，則由上式可得：L1 L01t1 ， L2L0 1t 2（ 27-2 ）上式兩邊分別相除得：L11t1

3、（ 27-3 ）L 21t 2整理后得：L2L1L（ 27-4 ）L1t2L2t1L1 t2 t144實(shí)驗(yàn)二十七金屬線脹系數(shù)的測(cè)量式中，LL2L1 為微小伸長(zhǎng)量，測(cè)出了溫度t1 和 t2 ，長(zhǎng)度 L1 和 L2 ，即可由上式求得線脹系數(shù)數(shù)值?！緦?shí)驗(yàn)步驟與要求】1檢查儀器后面的水位管，將水箱水加到適當(dāng)值平常加水從儀器頂部的注水孔注入。若水箱排空后第 1 次加水，應(yīng)該用軟管從出水孔將水經(jīng)水泵加入水箱，以便排出水泵內(nèi)的空氣，避免水泵空轉(zhuǎn)（無(wú)循環(huán)水流出）或發(fā)出嗡鳴聲。2設(shè)定 PID 參數(shù)若對(duì) PID 調(diào)節(jié)原理及方法感興趣，可在不同的升溫區(qū)段有意改變PID 參數(shù)組合，觀察參數(shù)改變對(duì)調(diào)節(jié)過程的影響。若只是

4、把溫控儀作為實(shí)驗(yàn)工具使用，則可按以下的經(jīng)驗(yàn)方法設(shè)定PID 參數(shù)：K P1 230 TD1 993T ，T1T 為設(shè)定溫度與室溫之差。參數(shù)設(shè)置好后，用啟控/ ?？劓I開始或停止溫度調(diào)節(jié)。3測(cè)量線膨脹系數(shù)實(shí)驗(yàn)開始前檢查金屬棒是否固定良好，千分表安裝位置是否合適。一旦開始升溫及讀數(shù)，避免再觸動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀。為保證實(shí)驗(yàn)安全，溫控儀最高設(shè)置溫度為60 度。若決定測(cè)量 n 個(gè)溫度點(diǎn)，則每次升溫范圍為t60 室溫n 。為減小系統(tǒng)誤差，溫度的設(shè)定值每次提高t ，溫度在新的設(shè)定值達(dá)到平衡后，記錄溫度及千分表讀數(shù)于表中。n （次） 12345678910t L mm4用 ti 與 Li 數(shù)據(jù)作 Lt 圖線，求其直線斜率K

5、 值。5計(jì)算線脹系數(shù)的不確定度。根據(jù)公式L L1t ，則有L1K ，故K L1 ( 式中 L150cm ) 。45實(shí)驗(yàn)二十七金屬線脹系數(shù)的測(cè)量【預(yù)習(xí)思考題】1本實(shí)驗(yàn)所用儀器和用具有哪些？如何將儀器安裝好？操作時(shí)應(yīng)注意哪些問題？2分析本實(shí)驗(yàn)中各物理量的測(cè)量結(jié)果，哪一個(gè)對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差影響較大？【課后習(xí)題】1開始測(cè)量時(shí)，千分表若沒有和金屬杠相接觸，對(duì)測(cè)量結(jié)果有什么影響。2根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件你還能設(shè)計(jì)一種測(cè)量L 的方案嗎？【附錄】一、金屬線膨脹實(shí)驗(yàn)儀儀器外型如圖 27-1 所示。金屬棒的一端用螺釘連接在固定端， 滑動(dòng)端裝有軸承，金屬棒可在此方向自由伸長(zhǎng)。通過流過金屬棒的水加熱金屬，金屬的膨脹量用千分表測(cè)量。支

6、架都用隔熱材料制作，金屬棒外面包有絕熱材料，以阻止熱量向基座傳遞，保證測(cè)量準(zhǔn)確。進(jìn)水孔空心金屬棒出水孔千分表固定端支架基座滑動(dòng)端支架千分表支架圖 7-1 金屬線膨脹實(shí)驗(yàn)儀圖 27-3 金屬線漲系數(shù)測(cè)量?jī)x二、開放式PID 溫控實(shí)驗(yàn)儀溫控實(shí)驗(yàn)儀包含水箱，水泵，加熱器，控制及顯示電路等部分。世紀(jì)中科加熱實(shí)驗(yàn)啟控 ?？?返回ZKY - PID確認(rèn)電源開開放式 PID 溫控實(shí)驗(yàn)儀關(guān)圖 27-2 溫控實(shí)驗(yàn)儀面板46實(shí)驗(yàn)二十七金屬線脹系數(shù)的測(cè)量本溫控試驗(yàn)儀內(nèi)置微處理器，帶有液晶顯示屏，具有操作菜單化，能根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象選擇PID 參數(shù)以達(dá)到最佳控制，能顯示溫控過程的溫度變化曲線和功率變化曲線及溫度和功率的實(shí)時(shí)值

7、，能存儲(chǔ)溫度及功率變化曲線，控制精度高等特點(diǎn)，儀器面板如圖 27-2 所示。開機(jī)后，水泵開始運(yùn)轉(zhuǎn)，顯示屏顯示操作菜單，可選擇工作方式，輸入序號(hào)及室溫，設(shè)定溫度及 PID 參數(shù)。使用鍵選擇項(xiàng)目 ,鍵設(shè)置參數(shù)，按確認(rèn)鍵進(jìn)入下一屏，按返回鍵返回上一屏。進(jìn)入測(cè)量界面后，屏幕上方的數(shù)據(jù)欄從左至右依次顯示序號(hào)，設(shè)定溫度，初始溫度，當(dāng)前溫度，當(dāng)前功率，調(diào)節(jié)時(shí)間等參數(shù)。圖形區(qū)以橫坐標(biāo)代表時(shí)間，縱坐標(biāo)代表溫度（功率） ，并可用鍵改變溫度坐標(biāo)值。儀器每隔15秒采集1 次溫度及加熱功率值，并將采得的數(shù)據(jù)標(biāo)示在圖上。溫度達(dá)到設(shè)定值并保持兩分鐘溫度波動(dòng)小于 0.1 度，儀器自動(dòng)判定達(dá)到平衡，并在圖形區(qū)右邊顯示過渡時(shí)間t s ，動(dòng)態(tài)偏差 ，靜態(tài)偏差 e。一次實(shí)驗(yàn)完成退出時(shí)，儀器自動(dòng)將屏幕按設(shè)定的序號(hào)存儲(chǔ)（共可存儲(chǔ) 10 幅），以供必要時(shí)分析，比較