固体线热膨胀系数的测定实验报告

固体线热膨胀系数的测定【实验目的】材料的线膨胀指的是材料受热后一维长度的伸长。当温度升高时，一般固体由于其原子或分子的热运动加剧，粒子间的平均距离发生变化，温度越高，其平均距离越大，这就是固体的热膨胀。热膨胀是物质的基本热学性质之一。物体的热膨胀不仅与物质种类有关。对金属晶体而言，由于它们是由许多晶粒构成的，这些晶粒在空间方位上排列是无规则的，整体表现出各相同性。它们的线膨胀在各个方向均相同。虽然固体的热膨胀非常微小，但使物体发生很小形变时就需要很大的应力。在建筑工程、机械装配、电子工业等部门中都需要考虑固体材料的热膨胀因素。因此固体线胀系数是选择材料的一项重要指标，测定固体的线膨胀系数具有重要的实际意义。掌握测量固体线热膨胀系数的基本原理。测量铁、铜、铝棒的线热膨胀系数。学会使用千分表，掌握温度控制仪的操作。学习图解图示法处理实验数据。【实验原理】设'。为物体在温度尸=时的长度，则该物体在时的长度右可由下式表示:其中，氐为该物体的线膨胀系数，在温度变化不大时，吩可视为常数。将式(23-1)改写为:可见，①的物理意义为：温度每升高rc时物体的伸长量‘\一％与它在时的长度之比,单位为：0或实际测量中，一般只能测得材料在温度爲及爲时的长度‘1及“，设①是常量，则有:AZ由式(6)即可求得物体在温度爲~爲之间的平均线膨胀系数。其中，微小长度变化量可直接用千分表测量。本实验对金属铁、铜、铝进行测量求出不同金属的线膨胀系数。【实验仪器】FD-LEA固体线热膨胀系数测定仪(一套)、(电加热箱、千分表、温控仪)金属棒、电源线、加热线、传感器及电缆仪器介绍r.i1•千分表是一种测定微小长度变化量的仪表，其外形结构如图r.i1所示。外套管G用以固定仪表本身；测量杆M被压缩02mm时，指针H转过一格。而指针P则转过一周，表盘上每周等分小格，每小格即代表O.OOlmm,千分表亦由此得名。 图1千分表FD-LEA固体线热膨胀系数测定仪由电加热箱和温控仪两部分组成。其中电加热箱结构见图2,图2?电加热箱1•托架2•隔热盘A3•隔热顶尖4•导热衬托A5.加热器？6•导热均匀管7•导向块8•被测材料9•隔热罩10.温度传感器？11.导热衬托B?12.隔热棒13•隔热盘B14•固定架15.千分表16•支撑螺钉17.坚固螺钉温控仪面板结构图3?温控仪面板温控仪的操作方法打开温控仪电源开关，面板数字显示为FdHc，表示生产公司产品的符号。随即自动转向Axx.x，表示当时传感器温度。b==.=表示等待设定温度。按升温键，数字即由零逐渐增大至所需的设定值，最高可选80.0°C。如果数字显示值高于所需要的温度值，可按降温键，直至所需要的设定值。当数字设定值达到所需的值时，即可按确定键，开始对样品加热，同时指示灯亮,发光频闪与加热速率成正比。确定键的另一用途可作选择键，可选择观察当时的温度值和先前设定值。如果需要改变设定值可按复位键，重新设置。温控仪的主要技术参数：温控仪的仪表读数分辨率：±0.1°C；温度控制分辨率：样品加热炉内空间温度达到平衡时，温度不均匀性＜0.3C；温度控制范围：室温至80C；伸长量测量分辨率：0.001mm,最大测量范围为0-1mm；被测金属样品为直径①8mm,长为400mm的圆棒。【实验步骤】仪器的安装和调试接通电加热器与温控仪输入输出接口和温度传感器的插头；旋松千分表固定架螺栓，转动固定架至使被测样品(①8x400mm金属棒)能插入紫铜管内，再插入隔热棒(不锈钢)用力压紧后转动固定架；把安装千分表安装在固定架上，并且扭紧螺栓，不使千分表转动，在安装千分表时注意被测物体与千分表测量头保持在同一直线；再向前移动固定架，使千分表读数值在0.2一0.4mm处，固定架给予固定。数据测量稍用力压一下千分表测量端，使千分表测量头能与隔热棒有良好的接触，再转动千分表圆盘，使指针指向零。接通温控仪的电源设定需加热的值，一般可分别设定温度为40.0C、50.0C、60.0C、70.0C，按确定键开始加热，同时记下显示的温度值，即为初始温度值。当温控仪的显示值上升到大于设定值，电脑将自动控制温度到设定值(正常情况下在±0.3C左右波动三次以上后，可认为金属棒的温度达到了设定值)，分别记录每个温度对应的千分表读数数.旋转千分表固定架螺栓，调整固定架位置，更换金属棒。重复以上实验过程，将不同金属棒在设定温度范围内的伸长量记录在表1中。【数据记录及处理】表1.不同设定温度下千分尺的读数温度C40.050.060.070.0千分表读数△L铁棒铜棒铝棒L=400mm =0.001阮 仍=0.比初始温度T1计算三种金属线膨胀系数并写出结果表达式:KT=Tq—T\AZTa?U=auTU=aIAT丿a=a±U在同一平面直角坐标系中用作图法分别表示出铁棒、铜棒、铝棒受热后伸长量与其温度增加量之间的函数关系。以在T为横轴,a/L为纵轴，用所测得数据在坐标系中描点，作直线，使同种材料测得的数据点尽量靠近所作直线。分别计算并比较铁棒、铜棒、铝棒的①值。即所作直线的斜率，任取直线上两点进行计算。并将测量值分别与各自的理论值相比较。xlOO%计算每种金属线热膨胀系数的百分差 氐直 ，并进行误差分析。【注意事项】1•实验中仪器整体要求平稳，因被测物体伸长量极小，故仪器不应有振动；读数时不要挤压桌面。2•千分表安装须适当固定且与隔热棒有良好的接触（读数在0.2—0.4mm处较为适宜），然后再转