光杠杆原理测量固体线膨胀系数

光杠杆原理测量固体线膨胀系数刘宾兰秋勇魏文馨重庆交通大学，重庆，400074摘要绝大多数物质都具有“热胀冷缩”的特性，这是由于物体内部分子热运动加剧或减弱造成的。这个性质在工程结构的设计中，在机械和仪器的制造中，在材料的加工（如焊接）中，都应考虑到。否则，将影响结构的稳定性和仪表的精度。考虑失当，甚至会造成工程的损毁，仪器的失灵，以及加工焊接中的缺陷和失败等等。光杠杆系统是一种用来测量微小长度变化的工具。在测量钢丝的杨氏模量的实验中，光杠杆原理的利用使得实验结果比较精确，得到良好的效果。考虑到固体线膨胀系数的测量的实验中同样需要测量微小长度变化，因此，我们想利用光杠杆系统来代替千分尺进行测量。关键词光杠杆，固体线膨胀系数，逐差法OPTICALLEVERPRINCIPLEMEASURINGSOLIDEXPANSIONCOEFFICIENTLIUBIN,QIUYONGLAN,WENXINWEICHONGQINGJIAOTONGUNIVERSITY,CHONGQING,400074ABSTRACTMOSTSUBSTANCESARE“HEATBILGESCOLDSHRINK“CHARACTERISTICS,THISISDUETOINCREASEDINTERNALHEATORWEAKENEDMOLECULARMOTIONTHEPROPERTIESOFTHESTRUCTUREDESIGNINTHEENGINEERINGMACHINERYANDEQUIPMENT,ANDINTHEMANUFACTURING,PROCESSINGSUCHASINMATERIAL,INWELDINGSHOULDBECONSIDEREDOTHERWISE,WILLAFFECTTHESTRUCTURESTABILITYANDPRECISIONOFTHEINSTRUMENTCONSIDERUNDESERVED,CANCAUSEEVENDAMAGED,THEINSTRUMENTOFTHEPROJECT,ANDTHEPROCESSINGOFWELDINGFAILUREANDFAILURE,ETCLIGHTLEVERSYSTEMISUSEDTOMEASURETHELENGTHOFASLIGHTCHANGEOFTOOLSINTHEMEASUREMENTOFTHESTEELYOUNGMODULUSOFEXPERIMENTS,THELIGHTOFTHELEVERPRINCIPLEINEXPERIMENTALRESULTSMOREACCURATE,ANDGETTHEGOODEFFECTCONSIDERINGTHESOLIDEXPANSIONCOEFFICIENTOFMEASUREMENTEXPERIMENTALSOREQUIRESMEASURINGTINYLENGTHCHANGE,THEREFORE,WEWOULDLIKETOUSELIGHTLEVERSYSTEMTOREPLACEMICROMETERMEASUREMENTSKEYWORDSLIGHTOPTICALLEVER,SOLIDEXPANSIONCOEFFICIENT,LEVERAGEBYDIFFERENTIALMETHOD1实验原理及装置11实验装置YJRZ4A数字智能化热学综合实验仪面板如图所示垂直加热装置光杠杆、望远镜直尺组YJRZ4A数字智能化热学综合实验仪S温度设定上盘温度下盘温度测量选择下盘上盘加热开关启动复位设定温度粗选设定温度细选远景仪器12实验原理121光杠杆光杠杆装置的原理图如上图所示。假设平面镜的法线和望远镜的光轴在同一直线上，且望远镜光轴和刻度尺平面垂直，刻度尺上某一刻度发出的光线经平面镜反射进入望远镜，可在望远镜中十字叉丝处读下该刻度的像，设为A0，若光杠杆后足下移L，即平面镜绕两前足转过角度时，平面镜法线也将转过角度，根据反射定律，反射线转过的角度应为2，此时望远镜十字叉丝应对准刻度尺上另一刻度的像，设为AM。因为L很小，且LB，也很小，故有1平面镜2后足3前足1刻度尺；2望远镜调焦手轮；3望远镜轴线调整螺钉；4望远镜紧固螺钉；5缺口；6准星；7刻度尺紧固螺钉TANBL因AMA0D，故有2TA0DM联立两式，消去，有DBLM0A2令AAMA0，则有（113）L2A式中B为光杠杆后足尖到前两足尖连线之间垂直距离，用米尺测出，D为光杠杆平面镜到刻度尺之间的垂直距离，用钢卷尺测出，为加砝码前后刻度尺在平面镜中的像移动的距离，通过望远镜中十字叉丝可以读出。122固体热胀冷缩在一定温度范围内，原长L0的物体受热后伸长量L与其温度的增加量T近似成正比，与原长L0也成正比。通常定义固体在温度每升高1时，在某一方向上的长度增量T/与0（由于温度变化不大时长度增量非常小，实验中取室温）时同方向上的长度L0之比，叫做固体的线热膨胀系数，即TL02实验步骤1将金属杆插入垂直的加热盘内，连接好电线。2调节光杠杆，使前足置于槽内，后足置于金属杆的上端，然后调节镜面，使镜面与平台大致垂直。3调节望远镜，使望远镜与光杠杆反射镜等高先调节望远镜目镜下的螺丝，使望远镜大致水平，然后将望远镜移近光杠杆镜面，使两者等高，最后移动镜尺支架，使望远镜离反射镜镜面12M4将眼睛从望远镜沿准星向缺口方向观察反射镜中是否有标尺的像，若没有，则左右移动镜尺支架，直到标尺像出现在反射镜中。微调光杠杆镜面，使标尺零刻度线成像在反射镜中央。5转动目镜，观察目镜的十字叉丝情况，直到叉丝清晰成像。然后调节调焦手轮，使从望远镜中看到的反射镜中的标尺成像清晰。注意反复调节，当晃动眼睛时十字叉丝线与标尺刻度线之间无相对移动后，即可认为消除了视差。6微调光杠杆镜面的倾角和望远镜目镜下的升降螺丝，使从望远镜中观察到的标尺零刻度在十字横丝附近。7用游标卡尺测出室温T下金属杆长度L。8打开实验仪器电源，打开加特开关，选装“温度指示选择转换开关”指向“设定温度档”，调节“设定温度粗选”和“设定温度细选”旋钮使数字表显示所需温度值T2，预热一段时间后，再细调设定温度至所需值。9将“温度指示选择开关”指向“加热盘温度”档，观察温度变化，直至温度稳定在设定值附近的某一温度值T2为止。读出标出读数A，如此重复8次，记下8组数据。3数据记录及处理次数12345678温度T（）伸长量L（MM）用逐差发处理实验数据L0，L0L1L0（L5L1）L2L0（L6L2）L3L0（L7L3）L4L0（L8L9）151TL262T373TL484T（1234）/44注意事项1做实验前，当我们发现平面镜上有灰尘、污迹时，应该用擦镜纸擦去，而不能用手指、粗布擦，以免镜面起毛，影响观察和读数的准确。2调试仪器时，我们为了避免仪器相互撞击，决定采取用手托住移动部分，然后旋松锁紧手轮。3各手轮及可动部分