物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

PAGEPAGE1大學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)重慶交通大學(xué)論文題目：對(duì)金屬線膨脹系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)王野宸631224060320班級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化1203班重慶交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院2013年10月15日對(duì)金屬線膨脹系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)摘要：針對(duì)大學(xué)物理教科書(shū)上金屬線膨脹系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程和實(shí)驗(yàn)儀器存在一些問(wèn)題。經(jīng)過(guò)再三思考，提出了針對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法和實(shí)驗(yàn)儀器的一些改進(jìn)，即簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過(guò)程，又提高了測(cè)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(shí)驗(yàn)室中測(cè)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(cè)微法測(cè)量金屬桿的微小伸長(zhǎng)量，實(shí)驗(yàn)儀器主要由FT-HX-I金屬膨脹系數(shù)測(cè)定儀，千分表，游標(biāo)卡尺和米尺等組成。但是，用這種儀器測(cè)量進(jìn)行測(cè)量會(huì)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(duì)千分表的使用方法不夠熟練，安裝儀器和讀數(shù)時(shí)常常存在誤差，造成測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。因此，需要改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器來(lái)測(cè)量以提高測(cè)量準(zhǔn)確度。本實(shí)驗(yàn)用激光管來(lái)代替了千分表，消除了千分表操作帶來(lái)的誤差，利用光杠桿讀數(shù)測(cè)量原理使得測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差大大減小。2．改進(jìn)前實(shí)驗(yàn)儀器的不足之處原本實(shí)驗(yàn)中用電熱法來(lái)加熱金屬桿，而金屬桿的微小伸長(zhǎng)量用千分表進(jìn)行測(cè)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(cè)量不準(zhǔn)。a.千分表的不足千分表靈敏度過(guò)高，操作調(diào)節(jié)和安裝儀器時(shí)難以控制把握，只要輕輕一動(dòng)桌子或是儀器就會(huì)產(chǎn)生誤差。這就使得實(shí)驗(yàn)的人為因素干擾過(guò)大，這樣很容易就降低了測(cè)量的準(zhǔn)確度。b.溫度測(cè)量的不足現(xiàn)用的測(cè)定儀，把溫度計(jì)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(jì)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(jì)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(huì)影響到測(cè)量的準(zhǔn)確度。儀器的改進(jìn)方案a.千分表問(wèn)題的解決方案本實(shí)驗(yàn)用光杠桿和激光管代替千分表，就可彌補(bǔ)千分表的不足。這種方法即簡(jiǎn)單又方便，操作簡(jiǎn)單，測(cè)量準(zhǔn)確。只需將光杠桿安裝上激光管即可。實(shí)驗(yàn)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(jì)，E為金屬管，F(xiàn)為加熱管，G為散熱罩。若金屬管原長(zhǎng)為L(zhǎng)0，溫度升高△t時(shí)金屬管伸長(zhǎng)為△L，則有α即為金屬的線膨脹系數(shù)。式中L0和△t在實(shí)驗(yàn)中都容易測(cè)得，△L的數(shù)值很小，由光杠桿和激光管來(lái)測(cè)得，其測(cè)量原理如圖2所示。將線膨脹系數(shù)測(cè)定儀、光杠桿、溫度計(jì)放好，把標(biāo)尺和激光管置于光杠桿前，然后把實(shí)驗(yàn)裝置調(diào)好，這時(shí)在標(biāo)尺上可看到經(jīng)平面鏡M0反射的激光光點(diǎn)，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(diǎn)的標(biāo)尺讀數(shù)為ao。然后給金屬管加熱，金屬管受熱長(zhǎng)度增加△L，杠桿后足尖也升高△L，平面鏡轉(zhuǎn)過(guò)△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(diǎn)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(cè)定金屬線膨脹系數(shù)的計(jì)算公式。3.2溫度測(cè)量問(wèn)題的解決方案為確保溫度計(jì)溫度等于金屬溫度，金屬管與溫度計(jì)之間應(yīng)用熱的良導(dǎo)體傳熱(空氣的導(dǎo)熱性很差)?？捎孟鹌と呀饘俟芟露硕伦?，在實(shí)驗(yàn)前可在金屬管內(nèi)注入適量的水(至少要沒(méi)過(guò)溫度計(jì)的水銀泡)，使得金屬管溫度與溫度計(jì)指示溫度一致，另外由于水的比熱大，金屬管溫度變化也會(huì)變得平穩(wěn)。這樣就解決了溫度測(cè)量中存在的問(wèn)題。4.儀器改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)步驟4.1將金屬管下端堵住并注入適量水，把溫度計(jì)插入金屬管內(nèi)，待溫度計(jì)讀數(shù)不變時(shí)記下溫度值to，用米尺測(cè)出金屬管長(zhǎng)度L0，然后把金屬管慢慢放進(jìn)測(cè)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(cè)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(duì)著平面鏡。左右移動(dòng)激光管，直到在標(biāo)尺上看到經(jīng)平面鏡反射的激光光點(diǎn)，記下這時(shí)標(biāo)尺讀數(shù)ao。此后整套儀器在測(cè)量過(guò)程中不得碰動(dòng)。4.4接通電源給金屬管加熱，每升