基于光杠杆液体体积膨胀系数测量仪的改进

1、作品编号山东省第七届大学生物理科技创新大赛作品申报书 作品名称： 基于光杠杆液体体积膨胀系数测量仪的改进 学校全称： 申报者姓名： 指导教师： 类别： 物理量的测试、分析仪器或装置（A类） þ 物理实验教学的仪器或装置（B类） 需用多媒体方式展示的无法拿到现场的作品（C类）山东省第七届大学生物理科技创新大赛组委会制2015年5月 说 明1申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求如实填写。2作品编号由大赛组委会统一填写。3作品的研究报告必须用中文撰写，并附于申报书后，一般不应少于2000字。4作品申报书和研究报告必须按规定时间由各校统一将电子稿件发到大赛组委会E-MAIL邮箱。申 报

2、者 情 况申报者情况姓 名 性别 出生年月 学校全称 专业应用电子技术现学历专科年级 学制 通讯地址 联系电话 合作者情况姓 名性别年龄学历所在单位 指导教师情况和意见指导教师情况 姓名 性别 年龄职 称 单位 联系电话 对作品的真实性以及作品的意义、水平等评价液体的体积膨胀系数(简称体胀系数)是一个表征液体受热时体积变化的重要物理量，是工程设计中必须考查的重要物理参量之一。在实验室中常采用膨胀计进行测量，该方法操作很不方便，条件要求苛刻，精确度较差。因此，人们研究了多种测量热膨胀系数的方法。例如：利用温度计测量水银和酒精的体胀系数，原理清晰，方法简便， 但只能测量酒精或水银，具有很大的局限性

3、。用带有毛细管的比重瓶测量液体的体胀系数的方法，通过测量液体膨胀前后毛细管中液位的变化来计算，但容易受液体中气泡的影响，毛细管直径测量困难较大。鉴于以上原因 ，我们制作了一种新的液体体胀系数测量仪器，利用光杠杆法测量液位的微小变化，进而达到精确测量液体体胀系数的目的，本实验设计可以测量多种液体的体胀系数 。申报者所在学院审核意见 年 月 日申报作品情况（由申报者本人填写）作品全称基于光杠杆液体体积膨胀系数测量仪的改进展示形式及实物尺寸软件þ实物及尺寸：作品设计的目的和基本思路（相关资料作为附件，例如研究报告、实验数据、外观图、鉴定证书和应用证书等）针对实验室常见的液体体胀系数测量方法

4、操作繁琐、劳动强度大、 测定时间长、实验费用高等缺点，设计了光杠杆测量液体体胀系数的实验装置，使装入试管中的液体温度缓慢变化，通过光杠杆测量液面的高度的变化，可以准确地测量出液体的体胀系数。仪器组成主要有单片机控制系统、待测液体放置容器、浮筏、光杠杆、激光传感器、温度传感器组成的测微系统。 光杠杆前足放在固定平台上， 后足置于浮筏上将光杠杆和激光传感器调整好。设开始时，光杠杆的平面镜竖直，即镜面法线在水平方向，当温度变化时激光反射点随镜面偏转，当激光传感器第一次检测到信号时，温度传感器记录温度为a。温度持续变化，光杠杆的后足尖随之下降L ，光杠杆平面镜转过一较小角度，法线也转过同一角度。当激光

5、传感器再次接收到信号是温度传感器再次记录温度b，记T=ba。tan= LC， tan2=nD。式中,C为光杠杆常数(光杠杆后脚尖至前脚尖连线的垂直距离)；D 为光杠杆镜面至尺读望远镜标尺的距离。由于偏转角度很小，即L<< b，n <<D，所以近似的有LC，2 nD，则L = C2D·n。则微小变化量L可通过较易准确测量的b、D、T间接求得。作品的创新点、技术难点和实际应用情况创新点（1）仪器与普通测量液体体膨胀系数测量的仪器相比操作方便、简单，数据直观性好（2）仪器可适用于测量多种液体的体膨胀系数技术难点（1）仪器物理器件的精准度制做（2）仪器抗干扰处理（3）

6、平面镜与浮筏的同步联动制作其他说明评审委员会意见组委会秘书处资格审查通过审查 未通过审查 审查人（签名） 年 月 日评审小组成绩 小组内排名： 得 分： 组长（签名） 年 月 日评审会终审建议特等奖 一等奖二等奖 三等奖未获奖 主任（签名） 年 月 日作品编号山东省第七届大学生物理科技创新大赛研究报告 作品名称： 基于光杠杆液体体积膨胀系数测量仪的改进 学校全称： 申报者姓名： 指导教师： 类别： 物理量的测试、分析仪器或装置（A类）þ 物理实验教学的仪器或装置（B类） 需用多媒体方式展示的无法拿到现场的作品（C类）研究报告的主要内容（不限于此）：l 研究背景及意义l 国内外现状l

7、原理及依据l 解决的关键问题l 主要功能和实用情况l 创新点或特色基于光杠杆液体体积膨胀系数测量仪的改进 （ 滨州学院 ）摘要：液体的体积膨胀系数(简称体胀系数)是一个表征液体受热时体积变化的重要物理量，是工程设计中必须考查的重要物理参量之一。在实验室中常采用膨胀计进行测量，该方法操作很不方便，条件要求苛刻，精确度较差。因此，人们研究了多种测量热膨胀系数的方法。例如：利用温度计测量水银和酒精的体胀系数，原理清晰，方法简便， 但只能测量酒精或水银，具有很大的局限性。用带有毛细管的比重瓶测量液体的体胀系数的方法，通过测量液体膨胀前后毛细管中液位的变化来计算，但容易受液体中气泡的影响，毛细管直径测量

8、困难较大。鉴于以上原因 ，我们制作了一种新的液体体胀系数测量仪器，利用光杠杆法测量液位的微小变化，使用各种传感器采集数据，进而达到精确测量液体体胀系数的目的，本实验设计可以测量多种液体的体胀系数 。关键字：光杠杆 液体体胀系数 准确测量一 引言 液体的体积膨胀系数(简称体胀系数) 是一个表征液体受热时体积变化的重要物理量, 在实验室中常采用膨胀计进行测量, 该方法操作很不方便, 条件要求苛刻，精确度较差。人们还研究了多种测量热膨胀系数的方法，这些方法为本文设计提供了研究基础，分别利用水银温度计和酒精温度计测量了水银和酒精的体胀系数, 原理清晰, 方法简便, 但只能测量酒精或水银，具有很大的局限

9、性。用带有毛细管的比重瓶测量液体的体胀系数的方法, 通过测量液体膨胀前后毛细管中液位的变化来计算, 但毛细管直径测量困难较大。本文利用光杠杆和激光传感器、温度传感器测量液体的体胀系数，精度高、数据读取方便快捷而且可以测量多种液体的体胀系数，且精确度极高。 图1 作品实物图二 原理2.1光杠杆测量系统原理光杠杆测量系统构造如图1所示。光杠杆就是一个可绕通过镜面中心的水平轴转动的平面镜，如图2所示。平面镜的支架由三个尖足支撑，三个尖足的连线为一等腰三角形。前两尖足连线与平面镜水平轴线在同一平面内（平面镜俯仰方位可调），实验时放于平台的横槽中。后足在前两足连线的中垂线上，实验时放于待测的有微小长度变

10、化的物体上。尺读望远镜由一把竖直放置的毫米刻度尺和在尺旁的一个望远镜组成，它们被固定在同一立柱上。 图2 光杠杆测量系统 图3 光杆杆 仪器组成主要有单片机控制系统、待测液体放置容器、浮筏、光杠杆、激光传感器、温度传感器组成的测微系统。 光杠杆前足放在固定平台上， 后足置于浮筏上将光杠杆和激光传感器调整好。设开始时，光杠杆的平面镜竖直，即镜面法线在水平方向，当温度变化时激光反射点随镜面偏转，当激光传感器第一次检测到信号时，温度传感器记录温度为a。温度持续变化，光杠杆的后足尖随之下降L ，光杠杆平面镜转过一较小角度，法线也转过同一角度。当激光传感器再次接收到信号是温度传感器再次记录温度b，记T=

11、ba。tan= LC， tan2=nD。式中,C为光杠杆常数(光杠杆后脚尖至前脚尖连线的垂直距离)；D 为光杠杆镜面至尺读望远镜标尺的距离。由于偏转角度很小，即L<< b，n <<D，所以近似的有LC，2 nD，则L = C2D·n。则微小变化量L可通过较易准确测量的b、D、T间接求得。三 相关设备3.1实验装置 实验装置如图3所示。采用水浴加热,待测液体放置于加热水套内,待测液体上面有一质量很小的浮筏。右侧为光杠和数据采集尺组成的测微统,激光传感器和温度传感器组成数据采集系统。光杠杆前足放在光杠杆调节平台上,后足置于浮筏上。 图4 实验装置图3.2 数据采集

12、系统使用激光传感器利用镜面反射原理采集信息。调节激光反射点在a点之下。当温度升高或降低时，引起镜面偏转此时激光反射点会逐渐向a点移进，当a点检测到激光时温度传感器采集温度T1，当b点检测到激光时温度传感器采集温度T2，此时调换激光接受器的位置重复操作。 图5 数据采集四 操作流程 控制盒、标尺台、光杆杆调节台、加热器依次摆放至试验台。将光杠杆后足放置于浮筏上端，光杠杆前足放置于光杠杆调节台上端。将标尺放置于标尺台并调整标尺与光杠杆镜面平行。打开电源，移动光杠杆使激光反射点在标尺上，旋转光杠杆调节台旋钮调整激光放射点正好处于激光接收器下端或上端。使用微小测量系统设置最大温度值，按确认键，打开加热

13、器。等待系统自动检测，当激光传感器检测到信号时系统内置蜂鸣器提示，当系统第二次检测到信号时，记录检测数值。按复位键，更换监测点再次测量记录监测数值。获取多组数据后关闭仪器电源，等到加热器中液体降温后收拾实验仪器。 图6 仪器界面五 数据处理 液体体积膨胀系数计算公式,从实验中测量的L、T可求出。文献10 给出纯净水在20左右的体膨胀系数为=2.07×,由于自来水的纯净度不高,导致测量产生误差。即使采用水浴恒温,待测液体的不同部分温度也略有不同,各部分的压强也不同。液位越低,压强的不均匀影响越小,但液位改变量越不明显。所以实验取得的精度可以满足工程测量要求，准确度较高。四 创

14、新点1.本实验用液面的高度变化的测量代替体积变化的测量，简化了操作，让实验变得既简单易行又获得了高精度的测量。 2.利用光杠杆测量了液位的微小变化,得到自来水的体胀系数,而且将光学与热学有机结合了起来原理简单,准确度较高,实用性较强，也,避免了其他测量方法操作复杂、测量种类单一的缺点。而且拓展了光杠杆在物理实验中的应用。 3.利用光杠杆测量深化了已有实验仪器的测量范围，将测量力学的仪器运用到了热学，使不同学科间知识结合，利于不同学科之间的融合。 4.采用组装仪器的复合组装和仪器自制，提高了学生的实验能力和创新能力。   五 参考文献 1 饭田修一.物理学常用数表M.北京:科学出版社,1979。2 张昆. 测量水银体胀系数的简便方法J.甘肃联合大学学报( 自然版), 2006, 20(2): 89-90。3 王萍, 张昆. 酒精体胀系数的测量方法J.唐山师范学院学报,2006,28(2):70-71。4 孟祥省.大学普通物理实验M.济南:山东大学出版社,2004。5 刘竹琴.用力敏传感器测量液体的体胀系数J.大学物理,200