不良导体导热系数的测量

1、实验题目：不良导体导热系数的测量 实验目的：了解热传导现象的物理过程，学习用稳态平板法测量不良导体的导热系数并利用作图法求冷却速率。实验原理：1、导热系数导热系数是反映材料热性能的重要物理量。目前对导热系数的测量均建立在傅立叶热传导 定律的基础上。本实验采用稳态平板法。根据热传导理论，当物体内部存在温度梯度时，热量从高温向低温传导：dtdQdt其中入就是导热系数。2 、不良导体导热系数的测量样品为一平板，当上下表面温度稳定在Ti、T2，以hB表示样品高度，Sb表样品底面积:dQ Ti T2dthB由于温差稳定，那么可以用A在T2附近的dT/dt （冷却速率）求出 dQ/dt。根据散热速率与散热

2、面积成正比，则dQdtRa( Ra2 Ra(Ra2hA)hA)dQpdtRa2hA dQRahAdt又根据dQpdTmcdtdt有mchB(RA 2hA) dT2 RB(Ti T2)(Ra hA)不从而通过测量以上表达式中的量得到导热系数。实验装置：如图实验内容：1、用游标卡尺测量 A、B两板的直径、厚度（每个物理量测量3次）;2 、正确组装仪器后，打开加热装置，将电压调至250V左右进行加热至一定温度（对应 电压值大约在 3.20-3.40mV）；3 、将电压调至125V左右，寻找稳定的温度（电压），使得板上下面的温度（电压）10分钟内的变化不超过0.03mV,记录稳定的两个电压值；4 、直

3、接加热A板，使得其温度相对于 T2上升10度左右；5 、每隔30s记录一个温度（电压）值，取相对T2最近的上下各6个数据正式记录下来；6 、整理仪器；数据处理。直径（mr）i厚度（mm序号123123A板130.04129.72129.907.026.906.92B板129.42129.44129.528.027.928.00实验数据： 几何尺寸测量:表一：A B板的几何尺寸测量结果123456T （用电压，mV2.982.932.882.832.782.73789101112T （用电压，mV2.682.642.592.552.512.47A质量 m=806g,比热容 c=0.793kJ/k

4、gK。稳定温度（实际是电压值）： T 1： 3.09mV T 2： 2.73mVA盘自由散热过程中：表二：自由散热温度（最接近 T2的12个）数据处理：将导热系数的公式变形为2mchB(DA 4hA)DB(M V2)(Da 2hA)dVdtA盘直径的平均值DA1 DA2DA3Da 3B盘直径的平均值炒04 129i990mm 129.89mmDB1 DB2DB3Db 3129.42 129.44 129.52cmm 129.46mmA盘厚度的平均值hA1hA2hA3hA _孑 A"B盘厚度的平均值7.02 6.90 6.92mm6.95mmhB1 hB2 hB3 hB 3 利用ORI

5、GIN作图得到8.027.92 8.00mm3dV/dt :7.98mm3.0 BLinear Fit of Data1_B2.9 .2.6 -2.5 -2.4 +-50050100150200250300350t/s图一：A盘散热过程线形拟合图Linear Regression for Data1_B:Y = A + B * XParameter Value ErrorA 2.97128 0.00413B -0.001562.12215E-5R SD N P-0.999070.00761 12<0.00013从中得到 dV/dt=1.56 x 10- mV/s于是计算有：2mchB(D

6、A 4hA) dV2Db (V1 V2)(Da 2hA)dt10 3 (0.12989 4 &95 10 3) j56 10 3W/(mK)2 0.806 0.389 103 7.983.14 0.129462 (3.09 2.73) (0.12989 2 6.95 10 3)0.45W/(m K)测量列DA的标准差为 2(Da DAi)1 j-22(129.89 130.04)2(129.89 129.72)2;rr(129.89 129.90)2mm0.16mm取P=0.68，查表得t因子tP=1.32，那么测量列 D的不确定度的A类评定为(Da)1.320.160.12mm0.0

7、220.022mm 0.03mm游标卡尺为均匀分布，取P=0.68，故DA的不确定度的B类评定为uB (Da )0.03mm30.02mm于是合成不确定度U(Da)tP(")22kPUB(DA)0.122(1 0.02)2mm0.12mm, P 0.68类似可以计算得（P均为0.68）： U（ DB） 对于电压 V的测量，由于在10min内允许（均匀分布）。根据ORIGIN作图结果有 U（dV/dt）=2.12由计算公式以及不确定度的传递规律，有=0.04mm, U（ hA） =0.05mm,0.03mV的波动，那么就认为U( hB) =0.04mm。U( V)=U (V2)=0.0

8、3mV/3=0.01mVU(hB),2j h bi222 U(Da)4U(hA) 2J IJDa 4hA整理后就得到（P=0.95）U()U(hB),22 U(Da)2 4U(hA)22"1 l-3Da 4hA2 20.04 2 时0.1224 0.052 20.45()2 ()2Y 7.98129.89 4 6.950.02W /(m K)-5x 10 mV/s。dVU()2l dV J"dTdVU(,)dt 24B'2 dV db2”U(Db),2U (M )UM).VV2.U(W)2U(V2)2V1V2U(Db),224 广 Dbdt52.12 10 5 2(

9、7.5)、 2U(Da)2U(hA)di2冠1 2.U(Da)22U(hA)2瓦2hA222 1 2 2.0.1222 0.052 2()2W/(m K)129.89 2 6.95(_°£1£)2( _ )2129.463.09 2.73于是最终结果表示成U( )(0.45 0.02)W/(m K),P 0.68误差来源的具体分析见思考题。实验小结：1、本实验原理比较简单，但是操作过程和数据处理比较复杂;2、实验操作中应该注意用电安全，注意线路连接的准确性和稳定性（插口是不是接触良好）同时在使用热源时也要防止烫伤；3 、实验过程中比较关键的步骤是寻找温度（电压）的

10、稳定值点，也就是达到热平衡的点，寻找过程中应注意观察 、T2的变化情况，根据变化情况适当增大或者减小热源的供热（改变电压）；4 、在数据处理中，对 dV/dt的误差的分析很关键，但是我不知道怎么分析，暂且利用ORIGIN中给出的ERRORS为不确定度的 A类评定，且认为 B类评定相对于 A类评定可以忽略，但 从表达式和测量值的根本出发，比较合理的方式应该是利用回归分析，得到相关系数（不 知道ORIGIN中给出的R是不是就是相关系数？）求解斜率（也就是dV/dt ）的标准差，同时在考虑不确定度的 B类评定时，应该对温度和时间分开计算后合成，又或者应该使用逐 差法？还是没有完全明白。思考题：1、 试分析实验中产生误差的主要因素。Sol ：一般来讲，热学实验中最大的误差是热量的耗散，这导致了在普通实验条件下对于热量的测定是很不准确的，这是一个很难避免的系统误差。根据实验过程和公式，知道实验中由测量带来的误差会体 现在对物体几何尺寸的测量、温度（电压）的测定（此时把材料的质量、比热容作为常量） 、时间的 测量上。根据最后的误差传递公式，可以知道根号下各项中，数值最大的是关于V、V2的一项，也就是对平衡温度的测量（其实