物理創(chuàng)新實驗設(shè)計

PAGEPAGE1大學(xué)物理創(chuàng)新實驗設(shè)計重慶交通大學(xué)論文題目：對金屬線膨脹系數(shù)測定實驗的改進王野宸631224060320班級：電氣工程及其自動化1203班重慶交通大學(xué)機電學(xué)院2013年10月15日對金屬線膨脹系數(shù)測定實驗的改進摘要：針對大學(xué)物理教科書上金屬線膨脹系數(shù)測定實驗，認(rèn)為實驗測量過程和實驗儀器存在一些問題。經(jīng)過再三思考，提出了針對實驗測量方法和實驗儀器的一些改進，即簡化了實驗過程，又提高了測量精度。關(guān)鍵詞：線膨脹系數(shù)千分表光杠桿激光管引言目前，在大學(xué)物理實驗室中測量金屬的線膨脹系數(shù)主要是采用電熱法加熱金屬桿和千分表測微法測量金屬桿的微小伸長量，實驗儀器主要由FT-HX-I金屬膨脹系數(shù)測定儀，千分表，游標(biāo)卡尺和米尺等組成。但是，用這種儀器測量進行測量會造成許多不便和產(chǎn)生不必要的誤差。其主要原因是學(xué)生對千分表的使用方法不夠熟練，安裝儀器和讀數(shù)時常常存在誤差，造成測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。因此，需要改進實驗儀器來測量以提高測量準(zhǔn)確度。本實驗用激光管來代替了千分表，消除了千分表操作帶來的誤差，利用光杠桿讀數(shù)測量原理使得測量數(shù)據(jù)的誤差大大減小。2．改進前實驗儀器的不足之處原本實驗中用電熱法來加熱金屬桿，而金屬桿的微小伸長量用千分表進行測量。但是這兩種方法存在兩種明顯不足，即千分表的操作調(diào)節(jié)困難和溫度測量不準(zhǔn)。a.千分表的不足千分表靈敏度過高，操作調(diào)節(jié)和安裝儀器時難以控制把握，只要輕輕一動桌子或是儀器就會產(chǎn)生誤差。這就使得實驗的人為因素干擾過大，這樣很容易就降低了測量的準(zhǔn)確度。b.溫度測量的不足現(xiàn)用的測定儀，把溫度計插入金屬管內(nèi)，我們認(rèn)為金屬管的溫度就等于指示的溫度。但是金屬管與溫度計之間有空氣相隔，他們要靠空氣傳熱，金屬管溫度要高于溫度計溫度。另一方面由于金屬的比熱小，金屬管的溫度變化易受其他因素影響而出現(xiàn)不平穩(wěn)的現(xiàn)象，這些都會影響到測量的準(zhǔn)確度。儀器的改進方案a.千分表問題的解決方案本實驗用光杠桿和激光管代替千分表，就可彌補千分表的不足。這種方法即簡單又方便，操作簡單，測量準(zhǔn)確。只需將光杠桿安裝上激光管即可。實驗裝置如圖1所示，A為激光管，B為標(biāo)尺，C為光杠桿，D為溫度計，E為金屬管，F(xiàn)為加熱管，G為散熱罩。若金屬管原長為L0，溫度升高△t時金屬管伸長為△L，則有α即為金屬的線膨脹系數(shù)。式中L0和△t在實驗中都容易測得，△L的數(shù)值很小，由光杠桿和激光管來測得，其測量原理如圖2所示。將線膨脹系數(shù)測定儀、光杠桿、溫度計放好，把標(biāo)尺和激光管置于光杠桿前，然后把實驗裝置調(diào)好，這時在標(biāo)尺上可看到經(jīng)平面鏡M0反射的激光光點，即光線aooo經(jīng)平面鏡M0反射后沿原路返回射到標(biāo)尺上，光點的標(biāo)尺讀數(shù)為ao。然后給金屬管加熱，金屬管受熱長度增加△L，杠桿后足尖也升高△L，平面鏡轉(zhuǎn)過△L角到M位置，光線aoo經(jīng)平面鏡反射后沿oai射到標(biāo)尺上，那么激光光點在標(biāo)尺上的讀數(shù)變?yōu)閍i。根據(jù)反射定律：由于△L很小，平面鏡偏轉(zhuǎn)角θ也很小，(R為平面鏡到標(biāo)尺的距離，S為光杠桿后足尖至前兩足尖連線的垂直距離。)可推出：得：上式為測定金屬線膨脹系數(shù)的計算公式。3.2溫度測量問題的解決方案為確保溫度計溫度等于金屬溫度，金屬管與溫度計之間應(yīng)用熱的良導(dǎo)體傳熱(空氣的導(dǎo)熱性很差)。可用橡皮塞把金屬管下端堵住，在實驗前可在金屬管內(nèi)注入適量的水(至少要沒過溫度計的水銀泡)，使得金屬管溫度與溫度計指示溫度一致，另外由于水的比熱大，金屬管溫度變化也會變得平穩(wěn)。這樣就解決了溫度測量中存在的問題。4.儀器改進后的實驗步驟4.1將金屬管下端堵住并注入適量水，把溫度計插入金屬管內(nèi)，待溫度計讀數(shù)不變時記下溫度值to，用米尺測出金屬管長度L0，然后把金屬管慢慢放進測定儀，直至金屬管下端接觸底面為止。4.2光杠桿前兩足放在測定儀水平槽內(nèi)，后足尖與金屬管上端接觸，并使平面鏡垂直于水平面。4.3上下調(diào)節(jié)激光管，使其與平面鏡等高，將激光管和標(biāo)尺放在光杠桿前并對著平面鏡。左右移動激光管，直到在標(biāo)尺上看到經(jīng)平面鏡反射的激光光點，記下這時標(biāo)尺讀數(shù)ao。此后整套儀器在測量過程中不得碰動。4.4接通電源給金屬管加熱，每升