北航不良导体热导率的测量研究性实验报告

1、基础物理研究性实验报告不良导体热导率的测定作 者： 马梦弟学 号： 11041065所在院系：能源与动力工程学院2012年12月9日目录摘要：2Abstract2一、实验目的3二、实验原理31、基本原理32、 热电偶测温原理4三、实验仪器5四、实验步骤5五、数据处理6六、误差分析8七、探究：改变冷端温度对实验的影响9八、感想和改进意见12附：13摘要： 本研究性报告以“A04不良导体热导率的测量”实验为深入研究探讨的课题，简单介绍不良导体热导率测量的基本原理以及操作步骤等，重点进行改变某个实验条件后实验的误差分析，从而进一步了解在实验过程中控制实验条件对实验结果的重要性，对今后误差分析有一定的

2、作用。关键词：不良导体 热导率 实验条件AbstractThe research report "A04 poor conductor of heat conductivity measurement experiments for in-depth study of the themes, brief poor conductor of thermal conductivity measurement of the basic principles and steps, focusing on experimental error after changing certain ex

3、perimental conditionsanalysis, so as to further understanding of the importance of experimental conditions on the experimental results, the future error analysis of the role of control in the course of the experiment.Keywords: Poor conductor Thermal conductivity experiments conditions一、实验目的1学会正确使用量热

4、器和数学三用表的方法；2学习用稳态法测非良导体的导热系数； 3掌握热传导的基本公式傅里叶导热方程。二、实验原理1、基本原理本实验利用热源在待测样品内部形成不随时间改变的稳定温度分布，然后进行测量，即稳态法。1882年Fourier给出了热传导的基本公式Fourier导热方程。方程指出，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此相距为、温度分别为、（设），若平面面积为，则在时间内通过面积的热量满足下述方程： （2.1.1）式中，为热流强度，称为该物质的热导率（又称导热系数），单位为W/()。 本实验装置如图1所示。在支架D上依次放上圆铜盘P、待测样品B和厚底紫铜圆盘A。在A的上方用红外灯L加热，使

5、样品上、下表面分别维持在稳定的温度、，、分别与插入在A、P侧面深孔中的热电偶E来测量。E的冷端浸入盛于杜瓦瓶H内的冰水混合物中。数字式电压表F用来测量温差电动势。由式（2.1.1）知，单位时间通过待测样品B任一圆截面的热流量为 （2.1.2）式中，为圆盘样品的直径，为样品厚度。当传热达到稳定状态时，通过B盘上表面的热流量与由黄铜盘P向周围环境散热的速率相等。因此，通过求黄铜盘P在稳定温度时的散热速率来求热流量。因此，在读到稳定的、后，将B移去，使A直接与P接触。当P的温度上升到高于稳定时读数若干度后，再将A移开，让P自然冷却。测量其温度随时间的变化，求得，则稳态黄铜盘散热速率表达式修正如下：

6、（2.1.3）将式（2.1.3）代入（2.1.2），得， （2.1.4）2、 热电偶测温原理本实验采用铜-康铜热电偶测温度。基本原理是：由两种不同导体或半导体组成的闭合回路。如果他们的节点处于不同的温度和，则回路中就会有热电动势。通常取，称为冷端；置于被测介质中，就可以用来确定介质的温度。可以证明：在热电偶回路中接入的中间导体两端温度想同，热电偶总回路的就不会变化。温差电动势用数字电压表测量。对铜-康铜热电偶而言，其中。故实验中选取能读到0.01mv的电压挡。三、实验仪器红外灯源，铜盘，圆筒，杜瓦瓶，数字毫安表，游标卡尺四、实验步骤1：用游标卡尺多次测量铜盘，样品的直径，厚度，用电子天平测铜盘

7、的质量。2：在杜瓦瓶中装冰水混合物，按电路图连接电路。（注意：在安放散热盘和发热体时要注意使放热电偶的小孔上下对齐，并与杜瓦瓶等在同一侧。）3：打开加热器开关，打开风扇，为缩短达到稳态的时间，可先将热板电源电压打在220V档，当几分钟后1=4.00mV再将开关拨至110V档。然后每隔2分钟读一下温度，当10min内，样品圆盘上、下表面温度1、2示值都不变时，即可认为达到稳定状态，记录此时的1、2值。4：抽出样品，关闭风扇，让底盘C与散热盘P直接接触，加热P盘，当温度上升十摄氏度左右时（即热电偶示值大于稳态时2值0.42mV左右）移去发热体。5：让P盘自然冷却，每隔30s读一次P盘的温度（读电压

8、表示数）示值，由邻近2值的温度数据中求出冷却速率。6：整理实验器材，结束实验。五、数据处理所使用材料的尺寸及质量：123平均铜盘质量/g871.33871.33871.33871.33铜盘直径/mm129.86129.80129.78129.81铜盘厚度/mm7.387.407.427.40样品直径/mm129.90129.82129.94129.89样品厚度/mm7.647.707.667.67稳定时的示数： 1=4.08mv 2=2.74mv铜盘自然冷却时2随时间的变化情况：时间t/min00.5 1.01.52.02.53.03.5/mv3.193.163.103.042.972.922

9、.872.81时间t/min4.04.55.05.56.0/mv2.762.712.672.632.58则由图象得=-0.10588mv/min, 另外铜的比热容为 C=393.6J/(KgK),代入数据得：K=mpctdP+4hPdP+2hPhB1-22dB2=871.33×10-3×393.6×0.10588×160×129.81+4×7.40129.81+2×7.40×7.67×10-34.08-2.74×2×(129.89×10-3)2=0.144 w/(mK)不确定

10、度分析：综合考虑电子天平、温度、游标卡尺等引起的误差，可计算得：u(k)k=u(m)m2+u(dp+4hp)dp+4hp2+u(dp+2hp)dp+2hp2+u(hb)hb2+u(1-2)1-22+2u(db)db2=0.0216u(k)= 0.0216×0.144 w/(mK) = 3.1104×10-3 w/(mK)所以最终表达式为k±uk=0.144±0.0v03 w/(mK)六、误差分析1、进行长度，质量进行测量时的测量误差，以及数字毫伏表的测量误差。2、环境温度的不恒定，导致铜盘无法达到绝对的稳态，影响测量的数值，造成实验误差。3、样品与铜盘之

11、间可能没有完全贴合，导致两者之间存有空隙，热量的传导受到影响。4、铜盘在自然冷却时，由于教室中人员频繁走动使铜盘周围空气流动，使铜盘冷却速率的测量受到影响。5、处理数据时使用人为作图法，存有误差。七、探究：改变冷端温度对实验的影响实验中，电偶极的冷端应该维持在0，以保证温差电动势与待测温度之比是一个常数，然而在实验过程中，冷端的冰块融化，会对实验结果造成影响，本实验即探究冰块融化对实验结果的影响。数据记录及处理：初始水温 0 终态水温 18实验的器材的各个尺寸及质量均与上述实验相同123平均铜盘质量/g871.33871.33871.33871.33铜盘直径/mm129.86129.80129

12、.78129.81铜盘厚度/mm7.387.407.427.40样品直径/mm129.90129.82129.94129.89样品厚度/mm7.647.707.667.67稳定时的示数： 1=3.51mv 2=2.20mv铜盘自然冷却时2随时间的变化情况：时间t/min00.5 1.01.52.02.53.03.52/mv2.702.622.572.512.452.402.36 2.30时间t/min4.04.55.05.56.02/mv2.252.212.162.122.08则由图象得t|=2=-0.1037mv/min, 另外铜的比热容为 C=393.6J/(KgK),代入数据得：K=mp

13、ctdP+4hPdP+2hPhB1-22dB2=871.33×10-3×393.6×0.1037×160×129.81+4×7.40129.81+2×7.40×7.67×10-33.51-2.20×2×(129.89×10-3)2=0.145 w/(mK)相对误差为 =|K-K|K×100%=0.69%结果分析：从实验数据中可以看出虽然实验数据的绝对值与标准值（即电偶极冷端恒定为0时的实验数据）相差很多，但1-2与1-2以及铜盘冷却时2随时间的变化率相差并不大，这样导致了改变实验条件对最终的实验结果并没有产生很大的影响。经分析原因可能是，实验时间过长，使得在加热铜盘和样品使1与2到达稳态的过程中，电偶极冷端的水温已经达到了室温，在之后的测量过程中，其冷端温度并没有发生剧烈变化，温差电动势与待测温度之比仍然是一个常数，实验结果并未受到太大影响。结论：在实验时间足够长的条件下，若冰块融化并未发生在测量数据的过程中，则对实验结果影响不大。八、感想和改进意见本实验原理很简单，需要测量的数据和最终的数据处理也很简单，但实验所需时间较长，这