固体线胀系数的测定

关于固体线胀系数的测定

各种材料的热胀冷缩的强弱是不同的，为了定量区分它们，人们找到了表征这种热胀冷缩特性的物理量—线胀系数和体胀系数。【实验简介】

热胀冷缩

工程结构的设计应用机械和仪器的制造

材料的加工原因物体内部分子热运动加剧或减弱第2页,共26页，2024年2月25日，星期天【实验目的】

测定金属的线胀系数，并学习一种测量微小长度的方法。

【实验原理】

1．材料的线胀系数材料的线膨胀是材料受热膨胀时，在一维方向上的伸长。第3页,共26页，2024年2月25日，星期天

在一定的温度范围内，固体受热后，其长度会增加，设物体原长为L，由初温t1加热至末温t2，物体伸长为

物体受热后，其伸长量与温度的增加量成正比，和原长也成正比。比例系数称为固体的线胀系数。

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2．线胀系数的测量线胀系数是选材的一项重要指标，不同材料的线胀系数是不同的，塑料的线胀系数最大，其次是金属、殷钢，石英的线胀系数很小，因此，殷钢、石英多被用在精密测量仪器中。下表给出了几种材料的线胀系数。钢铁铝玻璃陶瓷殷钢石英10-510-510-510-610-610-610-7第5页,共26页，2024年2月25日，星期天

⊿L是一个微小变化量。以金属为例，若原长为300mm，温度变化100℃，金属的线胀系数约为10-5℃-1，可以估计出⊿L≈0.30mm。考虑到测量方便和测量精度，本实验采用光杠杆法测量。

光杠杆系统是由平面镜及底座，望远镜和标尺组成的。

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第7页,共26页，2024年2月25日，星期天（3）由上图可知第8页,共26页，2024年2月25日，星期天【实验仪器】

线胀系数测定仪、光杠杆、望远镜和标尺、数字温度计、钢卷尺、游标卡尺、待测铜管。第9页,共26页，2024年2月25日，星期天【实验内容与步骤】

1．用钢卷尺测量（一次）待测铜管的原长L后，将其放入线胀系数测定仪的加热金属圆筒中；第10页,共26页，2024年2月25日，星期天

2．调节光杠杆的前后足尖的长度l，将光杠杆的后足尖置于待测铜管的上端，二前足尖置于固定台上的沟槽中，镜面竖直放置。第11页,共26页，2024年2月25日，星期天

3．在光杠杆前1~1.2m处放置望远镜及标尺架，调节望远镜及标尺架处于水平且与平面镜等高。第12页,共26页，2024年2月25日，星期天

4．调节望远镜及标尺架的位置和望远镜的仰角，沿望远镜轴线方向（借助望远镜上的准星）能通过镜面看到标尺（实际是看到标尺在镜后的成像）。第13页,共26页，2024年2月25日，星期天5．调节目镜，看清十字叉丝，调节调焦手轮，看清标尺的像，并使像与十字叉丝之间无视差，即眼睛上下移动时，标尺与叉丝没有相对移动。第14页,共26页，2024年2月25日，星期天6．当金属筒被加热后，待测铜管逐渐伸长，每间隔10℃记录一次望远镜叉丝横线所对标尺的数值，测量6到7个点。1234567t/℃b/mm第15页,共26页，2024年2月25日，星期天7．以t（℃）为横坐标，b（mm）为纵坐标，在坐标纸上作出t-b关系曲线，求直线斜率k。第16页,共26页，2024年2月25日，星期天

8．用米尺测量（一次）标尺到平面镜间的距离D。D第17页,共26页，2024年2月25日，星期天

9．将光杠杆在白纸上轻轻压出三个足尖印痕，用游标卡尺测量（一次）其后足尖到两前足尖连线的距离l。l第18页,共26页，2024年2月25日，星期天

10．计算铜管的线胀系数第19页,共26页，2024年2月25日，星期天【实验结果】第20页,共26页，2024年2月25日，星期天【实验报告的要求】1．实验名称

2．实验仪器

3．实验目的

4．实验原理及所采用的实验方法

5．实验内容

6．原始数据

7．数据处理第21页,共26页，2024年2月25日，星期天【注意事项】1.在测量过程中不能碰动线胀系数测定仪，光杠杆及望远镜的整个系统（打开加热开关时一定要轻），稍有碰动实验得从头做起；2.禁止用手摸反射镜、望远镜的目镜及物镜镜面，实验结束后要用镜套把镜面套好；3.用望远镜读出叉丝横线在标尺上的读数b时，不要压桌面；

4.该实验在测量读数时是在温度连续变化时进行，因此读数时要快而准。

5.实验时应尽量减少走动和震动，保持安静，以免影响测量的准确性。第22页,共26页，2024年2月25日，星期天【教学要求】1．测量的数据结果应在规定的范围内；

2．多项测量内容都有互相交叉的内容，应考察学生的实验结果是否前后一致；

3．考察实验报告的结果是否与原始数据相符。第23页,共26页，2024年2月25日，星期天【实验重点和难点】1．固体的体胀系数的理论原理和实验测量方法以及光杠杆原理；

2．实验数据处理：结果的有效数字、不确定度的正确表达；

3．光学系统的调节、升温快慢的掌握、镜面角度的变化对读数的影响等。第24页,共26页，2024年2月25日，星期天【预习抽查问题与思考题】1.实验中各长度量用不同的仪器来测定，是怎样考虑的？为什么？

2.本实验中固体的线胀系数测量误差的传递公式是什么？主要测量误差有哪些？请估算各测量量的不确定度。3.材料线胀系数跟材料的哪些性质有关？4.本实验的测量公式要求满足哪些实验条件？实验中应如何保证？5.安装、调整仪器时应