金属线胀系数的测量

1、实验二十七金属线胀系数的测量实验二十七金属线胀系数的测量绝大多数物质具有热胀冷缩的特性，在一维情况下，固体受热后长度的增加称为线膨胀。在相同条件下，不同材料的固体，其线膨胀的程度各不相同，我们引入线膨胀系数来表征物质的膨胀特性。线膨胀系数是物质的基本物理参数之一，在道路、桥梁、建筑等工程设计，精密仪器仪表设计，材料的焊接、加工等各种领域，都必须对物质的膨胀特性予以充分的考虑。利用本实验提供的固体线膨胀系数测量仪和温控仪，能对固体的线膨胀系数予以准确测量。【实验目的 】1测定固体样品的线胀系数，了解线胀系数的概念并进行实际测量；2了解温度传感器的特性，对温度传感器温度、输出特性进行具体的测量；3

2、了解掌握测微小位移的一种方法数字千分表测量法。【实验仪器】金属线膨胀实验仪、ZKY-PID 温控实验仪、千分表【实验原理】为了定量的描述固体材料的热胀冷缩特性，在物理学中引进了线胀系数的概念。线胀系数定义为固体温度上升1时， 其线度伸长量与0是的线度 L0 之比，设固体温度升高到 t 时的长度为L ，则线胀系数为：L L0（ 27-1 ）L0t根据上式测定线胀系数时，L0的测定不易实现， 下面我们推求初温不为0时，线胀系数的表示式。若固体温度由 t1 升到 t2 ，其长度分别为L1 、 L2 ，则由上式可得：L1 L01t1 ， L2L0 1t 2（ 27-2 ）上式两边分别相除得：L11t1

3、（ 27-3 ）L 21t 2整理后得：L2L1L（ 27-4 ）L1t2L2t1L1 t2 t144实验二十七金属线胀系数的测量式中，LL2L1 为微小伸长量，测出了温度t1 和 t2 ，长度 L1 和 L2 ，即可由上式求得线胀系数数值。【实验步骤与要求】1检查仪器后面的水位管，将水箱水加到适当值平常加水从仪器顶部的注水孔注入。若水箱排空后第 1 次加水，应该用软管从出水孔将水经水泵加入水箱，以便排出水泵内的空气，避免水泵空转（无循环水流出）或发出嗡鸣声。2设定 PID 参数若对 PID 调节原理及方法感兴趣，可在不同的升温区段有意改变PID 参数组合，观察参数改变对调节过程的影响。若只是

4、把温控仪作为实验工具使用，则可按以下的经验方法设定PID 参数：K P1 230 TD1 993T ，T1T 为设定温度与室温之差。参数设置好后，用启控/ 停控键开始或停止温度调节。3测量线膨胀系数实验开始前检查金属棒是否固定良好，千分表安装位置是否合适。一旦开始升温及读数，避免再触动实验仪。为保证实验安全，温控仪最高设置温度为60 度。若决定测量 n 个温度点，则每次升温范围为t60 室温n 。为减小系统误差，温度的设定值每次提高t ，温度在新的设定值达到平衡后，记录温度及千分表读数于表中。n （次） 12345678910t L mm4用 ti 与 Li 数据作 Lt 图线，求其直线斜率K

5、 值。5计算线胀系数的不确定度。根据公式L L1t ，则有L1K ，故K L1 ( 式中 L150cm ) 。45实验二十七金属线胀系数的测量【预习思考题】1本实验所用仪器和用具有哪些？如何将仪器安装好？操作时应注意哪些问题？2分析本实验中各物理量的测量结果，哪一个对实验误差影响较大？【课后习题】1开始测量时，千分表若没有和金属杠相接触，对测量结果有什么影响。2根据实验室条件你还能设计一种测量L 的方案吗？【附录】一、金属线膨胀实验仪仪器外型如图 27-1 所示。金属棒的一端用螺钉连接在固定端， 滑动端装有轴承，金属棒可在此方向自由伸长。通过流过金属棒的水加热金属，金属的膨胀量用千分表测量。支

6、架都用隔热材料制作，金属棒外面包有绝热材料，以阻止热量向基座传递，保证测量准确。进水孔空心金属棒出水孔千分表固定端支架基座滑动端支架千分表支架图 7-1 金属线膨胀实验仪图 27-3 金属线涨系数测量仪二、开放式PID 温控实验仪温控实验仪包含水箱，水泵，加热器，控制及显示电路等部分。世纪中科加热实验启控 停控/返回ZKY - PID确认电源开开放式 PID 温控实验仪关图 27-2 温控实验仪面板46实验二十七金属线胀系数的测量本温控试验仪内置微处理器，带有液晶显示屏，具有操作菜单化，能根据实验对象选择PID 参数以达到最佳控制，能显示温控过程的温度变化曲线和功率变化曲线及温度和功率的实时值

7、，能存储温度及功率变化曲线，控制精度高等特点，仪器面板如图 27-2 所示。开机后，水泵开始运转，显示屏显示操作菜单，可选择工作方式，输入序号及室温，设定温度及 PID 参数。使用键选择项目 ,键设置参数，按确认键进入下一屏，按返回键返回上一屏。进入测量界面后，屏幕上方的数据栏从左至右依次显示序号，设定温度，初始温度，当前温度，当前功率，调节时间等参数。图形区以横坐标代表时间，纵坐标代表温度（功率） ，并可用键改变温度坐标值。仪器每隔15秒采集1 次温度及加热功率值，并将采得的数据标示在图上。温度达到设定值并保持两分钟温度波动小于 0.1 度，仪器自动判定达到平衡，并在图形区右边显示过渡时间t s ，动态偏差 ，静态偏差 e。一次实验完成退出时，仪器自动将屏幕按设定的序号存储（共可存储 10 幅），以供必要时分析，比较