固體線脹系數(shù)的測定

關于固體線脹系數(shù)的測定

各種材料的熱脹冷縮的強弱是不同的，為了定量區(qū)分它們，人們找到了表征這種熱脹冷縮特性的物理量—線脹系數(shù)和體脹系數(shù)?！緦嶒灪喗椤?/p>

熱脹冷縮

工程結構的設計應用機械和儀器的制造

材料的加工原因物體內(nèi)部分子熱運動加劇或減弱第2頁,共26頁，2024年2月25日，星期天【實驗目的】

測定金屬的線脹系數(shù)，并學習一種測量微小長度的方法。

【實驗原理】

1．材料的線脹系數(shù)材料的線膨脹是材料受熱膨脹時，在一維方向上的伸長。第3頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

在一定的溫度范圍內(nèi)，固體受熱后，其長度會增加，設物體原長為L，由初溫t1加熱至末溫t2，物體伸長為

物體受熱后，其伸長量與溫度的增加量成正比，和原長也成正比。比例系數(shù)稱為固體的線脹系數(shù)。

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2．線脹系數(shù)的測量線脹系數(shù)是選材的一項重要指標，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量儀器中。下表給出了幾種材料的線脹系數(shù)。鋼鐵鋁玻璃陶瓷殷鋼石英10-510-510-510-610-610-610-7第5頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

⊿L是一個微小變化量。以金屬為例，若原長為300mm，溫度變化100℃，金屬的線脹系數(shù)約為10-5℃-1，可以估計出⊿L≈0.30mm?？紤]到測量方便和測量精度，本實驗采用光杠桿法測量。

光杠桿系統(tǒng)是由平面鏡及底座，望遠鏡和標尺組成的。

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第7頁,共26頁，2024年2月25日，星期天（3）由上圖可知第8頁,共26頁，2024年2月25日，星期天【實驗儀器】

線脹系數(shù)測定儀、光杠桿、望遠鏡和標尺、數(shù)字溫度計、鋼卷尺、游標卡尺、待測銅管。第9頁,共26頁，2024年2月25日，星期天【實驗內(nèi)容與步驟】

1．用鋼卷尺測量（一次）待測銅管的原長L后，將其放入線脹系數(shù)測定儀的加熱金屬圓筒中；第10頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

2．調(diào)節(jié)光杠桿的前后足尖的長度l，將光杠桿的后足尖置于待測銅管的上端，二前足尖置于固定臺上的溝槽中，鏡面豎直放置。第11頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

3．在光杠桿前1~1.2m處放置望遠鏡及標尺架，調(diào)節(jié)望遠鏡及標尺架處于水平且與平面鏡等高。第12頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

4．調(diào)節(jié)望遠鏡及標尺架的位置和望遠鏡的仰角，沿望遠鏡軸線方向（借助望遠鏡上的準星）能通過鏡面看到標尺（實際是看到標尺在鏡后的成像）。第13頁,共26頁，2024年2月25日，星期天5．調(diào)節(jié)目鏡，看清十字叉絲，調(diào)節(jié)調(diào)焦手輪，看清標尺的像，并使像與十字叉絲之間無視差，即眼睛上下移動時，標尺與叉絲沒有相對移動。第14頁,共26頁，2024年2月25日，星期天6．當金屬筒被加熱后，待測銅管逐漸伸長，每間隔10℃記錄一次望遠鏡叉絲橫線所對標尺的數(shù)值，測量6到7個點。1234567t/℃b/mm第15頁,共26頁，2024年2月25日，星期天7．以t（℃）為橫坐標，b（mm）為縱坐標，在坐標紙上作出t-b關系曲線，求直線斜率k。第16頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

8．用米尺測量（一次）標尺到平面鏡間的距離D。D第17頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

9．將光杠桿在白紙上輕輕壓出三個足尖印痕，用游標卡尺測量（一次）其后足尖到兩前足尖連線的距離l。l第18頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

10．計算銅管的線脹系數(shù)第19頁,共26頁，2024年2月25日，星期天【實驗結果】第20頁,共26頁，2024年2月25日，星期天【實驗報告的要求】1．實驗名稱

2．實驗儀器

3．實驗目的

4．實驗原理及所采用的實驗方法

5．實驗內(nèi)容

6．原始數(shù)據(jù)

7．數(shù)據(jù)處理第21頁,共26頁，2024年2月25日，星期天【注意事項】1.在測量過程中不能碰動線脹系數(shù)測定儀，光杠桿及望遠鏡的整個系統(tǒng)（打開加熱開關時一定要輕），稍有碰動實驗得從頭做起；2.禁止用手摸反射鏡、望遠鏡的目鏡及物鏡鏡面，實驗結束后要用鏡套把鏡面套好；3.用望遠鏡讀出叉絲橫線在標尺上的讀數(shù)b時，不要壓桌面；

4.該實驗在測量讀數(shù)時是在溫度連續(xù)變化時進行，因此讀數(shù)時要快而準。

5.實驗時應盡量減少走動和震動，保持安靜，以免影響測量的準確性。第22頁,共26頁，2024年2月25日，星期天【教學要求】1．測量的數(shù)據(jù)結果應在規(guī)定的范圍內(nèi)；

2．多項測量內(nèi)容都有互相交叉的內(nèi)容，應考察學生的實驗結果是否前后一致；

3．考察實驗報告的結果是否與原始數(shù)據(jù)相符。第23頁,共26頁，2024年2月25日，星期天【實驗重點和難點】1．固體的體脹系數(shù)的理論原理和實驗測量方法以及光杠桿原理；

2．實驗數(shù)據(jù)處理：結果的有效數(shù)字、不確定度的正確表達；

3．光學系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、升溫快慢的掌握、鏡面角度的變化對讀數(shù)的影響等。第24頁,共26頁，2024年2月25日，星期天【預習抽查問題與思考題】1.實驗中各長度量用不同的儀器來測定，是怎樣考慮的？為什么？

2.本實驗中固體的線脹系數(shù)測量誤差的傳遞公式是什么？主要測量誤差有哪些？請估算各測量量的不確定度。3.材料線脹系數(shù)跟材料的哪些性質(zhì)有關？4.本實驗的測量公式要求滿足哪些實驗條件？實驗中應如何保證？5.安裝、調(diào)整儀器時應