物理创新实验设计

PAGEPAGE1大学物理创新实验设计重庆交通大学论文题目：对金属线膨胀系数测定实验的改进王野宸631224060320班级：电气工程及其自动化1203班重庆交通大学机电学院2013年10月15日对金属线膨胀系数测定实验的改进摘要：针对大学物理教科书上金属线膨胀系数测定实验，认为实验测量过程和实验仪器存在一些问题。经过再三思考，提出了针对实验测量方法和实验仪器的一些改进，即简化了实验过程，又提高了测量精度。关键词：线膨胀系数千分表光杠杆激光管引言目前，在大学物理实验室中测量金属的线膨胀系数主要是采用电热法加热金属杆和千分表测微法测量金属杆的微小伸长量，实验仪器主要由FT-HX-I金属膨胀系数测定仪，千分表，游标卡尺和米尺等组成。但是，用这种仪器测量进行测量会造成许多不便和产生不必要的误差。其主要原因是学生对千分表的使用方法不够熟练，安装仪器和读数时常常存在误差，造成测量数据不准确。因此，需要改进实验仪器来测量以提高测量准确度。本实验用激光管来代替了千分表，消除了千分表操作带来的误差，利用光杠杆读数测量原理使得测量数据的误差大大减小。2．改进前实验仪器的不足之处原本实验中用电热法来加热金属杆，而金属杆的微小伸长量用千分表进行测量。但是这两种方法存在两种明显不足，即千分表的操作调节困难和温度测量不准。a.千分表的不足千分表灵敏度过高，操作调节和安装仪器时难以控制把握，只要轻轻一动桌子或是仪器就会产生误差。这就使得实验的人为因素干扰过大，这样很容易就降低了测量的准确度。b.温度测量的不足现用的测定仪，把温度计插入金属管内，我们认为金属管的温度就等于指示的温度。但是金属管与温度计之间有空气相隔，他们要靠空气传热，金属管温度要高于温度计温度。另一方面由于金属的比热小，金属管的温度变化易受其他因素影响而出现不平稳的现象，这些都会影响到测量的准确度。仪器的改进方案a.千分表问题的解决方案本实验用光杠杆和激光管代替千分表，就可弥补千分表的不足。这种方法即简单又方便，操作简单，测量准确。只需将光杠杆安装上激光管即可。实验装置如图1所示，A为激光管，B为标尺，C为光杠杆，D为温度计，E为金属管，F为加热管，G为散热罩。若金属管原长为L0，温度升高△t时金属管伸长为△L，则有α即为金属的线膨胀系数。式中L0和△t在实验中都容易测得，△L的数值很小，由光杠杆和激光管来测得，其测量原理如图2所示。将线膨胀系数测定仪、光杠杆、温度计放好，把标尺和激光管置于光杠杆前，然后把实验装置调好，这时在标尺上可看到经平面镜M0反射的激光光点，即光线aooo经平面镜M0反射后沿原路返回射到标尺上，光点的标尺读数为ao。然后给金属管加热，金属管受热长度增加△L，杠杆后足尖也升高△L，平面镜转过△L角到M位置，光线aoo经平面镜反射后沿oai射到标尺上，那么激光光点在标尺上的读数变为ai。根据反射定律：由于△L很小，平面镜偏转角θ也很小，(R为平面镜到标尺的距离，S为光杠杆后足尖至前两足尖连线的垂直距离。)可推出：得：上式为测定金属线膨胀系数的计算公式。3.2温度测量问题的解决方案为确保温度计温度等于金属温度，金属管与温度计之间应用热的良导体传热(空气的导热性很差)。可用橡皮塞把金属管下端堵住，在实验前可在金属管内注入适量的水(至少要没过温度计的水银泡)，使得金属管温度与温度计指示温度一致，另外由于水的比热大，金属管温度变化也会变得平稳。这样就解决了温度测量中存在的问题。4.仪器改进后的实验步骤4.1将金属管下端堵住并注入适量水，把温度计插入金属管内，待温度计读数不变时记下温度值to，用米尺测出金属管长度L0，然后把金属管慢慢放进测定仪，直至金属管下端接触底面为止。4.2光杠杆前两足放在测定仪水平槽内，后足尖与金属管上端接触，并使平面镜垂直于水平面。4.3上下调节激光管，使其与平面镜等高，将激光管和标尺放在光杠杆前并对着平面镜。左右移动激光管，直到在标尺上看到经平面镜反射的激光光点，记下这时标尺读数ao。此后整套仪器在测量过程中不得碰动。4.4接通电源给金属管加热，每升