海南大学物理实验-线胀系数.pdf

大学物理实验大学物理实验 海 南 大 学 大学物理实验 海 南 大 学 大学物理实验C 课程教案课程教案 适用专业 适用专业 2013级 适用时间 级 适用时间 2014年年3月月 2014年年6月月 大学物理实验大学物理实验 教学参考资料 1 海南大学物理实验中心网址 海南大学物理实验中心网址 http 210 37 37 223 2 海南大学网络教学平台海南大学网络教学平台 大学物理大学物理C 陈文钦 陈文钦 course course layout page index jsp courseId 6058 3 百度文库 百度文库 4 爱问共享资料 爱问共享资料 搜索 海南大学物理实验 搜索 海南大学物理实验 大学物理实验大学物理实验 网络教学平台 大学物理实验大学物理实验 大学物理实验大学物理实验 大学物理实验大学物理实验 000000 学号学号 大学物理实验大学物理实验 大学物理实验大学物理实验 大学物理实验大学物理实验 实验题目 金属线膨胀系数测量 大学物理实验大学物理实验 一 实验目的 1 学习并掌握测量金属线膨胀系数的一种方法 学习并掌握测量金属线膨胀系数的一种方法 2 学会用千分表测量长度的微小增量 学会用千分表测量长度的微小增量 大学物理实验大学物理实验 二 实验仪器 大学物理实验大学物理实验 实验仪器介绍 大学物理实验大学物理实验 有效量程有效量程 0 1mm 主指针主指针 每圈 每圈200格 每格格 每格0 001mm 副指针副指针 每格 每格0 2mm 共分 共分5格 总计格 总计1mm 图图4 千分表照片千分表照片 千分表 千分表 大学物理实验大学物理实验 0 2 133 1 0 001 0 3331 大学物理实验大学物理实验 大学物理实验大学物理实验 三 实验原理 温度升高 降低 热运动加剧 减慢 原子间距增大 减小 热膨胀 冷缩 温度升高 降低 热运动加剧 减慢 原子间距增大 减小 热膨胀 冷缩 热膨胀是物质的基本热学性质之一 原因原因 物质内部分子热运动加剧或减弱 物质内部分子热运动加剧或减弱 线膨胀 线膨胀 材料受热膨胀时 在一维方向的伸长 材料受热膨胀时 在一维方向的伸长 大学物理实验大学物理实验 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 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 L0 由 初温 由 初温 t0 加热至末温加热至末温 t 物体伸长量为 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 物体伸长量为 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 00ttLL l 0 0ttL L l 1 线胀系数线胀系数 l 的物理意义的物理意义 固体材料在温度固体材料在温度 t0 t 区域内 温度每升高一度时材料 的相对伸长量 其单位为 区域内 温度每升高一度时材料 的相对伸长量 其单位为 1 C 大学物理实验大学物理实验 2 线胀系数的测量 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 石英的线胀系数很小 因此 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 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 石英的线胀系数很小 因此 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 大学物理实验大学物理实验 以金属为例 若原长以金属为例 若原长L L0 0为 300 mm 温度变化100 金属的 线胀系数约为10 为 300 mm 温度变化100 金属的 线胀系数约为10 5 5 1 1 可以估计出 可以估计出 L L 0 30 mm 0 30 mm l 00ttLL l 3 测量线胀系数的关键 测量线胀系数的关键 L 考虑到测量方便和测量精度 本实验采用考虑到测量方便和测量精度 本实验采用 千分表法 分度值为千分表法 分度值为0 001mm 测量 测量 L是一个微小变化量 估测 L大小 估测 L大小 大学物理实验大学物理实验 五 实验步骤 1 参照图安装好实验装置 连接好加热皮管 打开电源开关 以便从仪器面板水位显示器上观察水位情况 参照图安装好实验装置 连接好加热皮管 打开电源开关 以便从仪器面板水位显示器上观察水位情况 2 加水步骤加水步骤 先打开机箱顶部的加水口和后面的溢水管口塑料盖 用漏斗从加水口往系统内加水 管路中的气体将从溢水管口 跑出 直到系统的水位计仅有上方一个红灯亮 其余都转变为 绿灯时 可以先关闭溢水管口塑料盖 先打开机箱顶部的加水口和后面的溢水管口塑料盖 用漏斗从加水口往系统内加水 管路中的气体将从溢水管口 跑出 直到系统的水位计仅有上方一个红灯亮 其余都转变为 绿灯时 可以先关闭溢水管口塑料盖 大学物理实验大学物理实验 接着可以按下强制冷却按钮 让循环水泵试运行 由于系统 内可能存在大量气泡 造成水位计显示虚假水位 只有利用循 环水泵试运行过程 把系统内气体排出 这时候水位下降 仪 器自动保护停机 说明 为了保护加热器不损坏 仪器设计 了自动保护装置 只有水位正常状态才能启动加热或强制冷却 装置 系统水位过低 缺水将自动停机 因此 在虚假水位 显示已满的情况下 可采用反复启动强制冷却按钮 接着可以按下强制冷却按钮 让循环水泵试运行 由于系统 内可能存在大量气泡 造成水位计显示虚假水位 只有利用循 环水泵试运行过程 把系统内气体排出 这时候水位下降 仪 器自动保护停机 说明 为了保护加热器不损坏 仪器设计 了自动保护装置 只有水位正常状态才能启动加热或强制冷却 装置 系统水位过低 缺水将自动停机 因此 在虚假水位 显示已满的情况下 可采用反复启动强制冷却按钮 利用循环水 泵的间断工作把管路中的空气排除 利用循环水 泵的间断工作把管路中的空气排除 即启动强制冷却按钮即启动强制冷却按钮 自动 停机 自动 停机 再加水的反复过程 再加水的反复过程 直到最终系统的水位计稳定显示 水位 计只剩上方一个红灯未转变为绿灯 此 时必须停止加水 以防水从系统溢出 流淌到实验桌上 接下来即可进行正常 实验 实验过程中发现水位下降 应该 适时补充 直到最终系统的水位计稳定显示 水位 计只剩上方一个红灯未转变为绿灯 此 时必须停止加水 以防水从系统溢出 流淌到实验桌上 接下来即可进行正常 实验 实验过程中发现水位下降 应该 适时补充 大学物理实验大学物理实验 3 用温度信号线将铜管 或铝管 对应的测温传感器 信号输出插座与测试仪的介质温度传感器插座相连接 用温度信号线将铜管 或铝管 对应的测温传感器 信号输出插座与测试仪的介质温度传感器插座相连接 大学物理实验大学物理实验 4 将千分表装在被测介质铜管 或铝管 的自由伸缩 端固定位置上 使千分表测试端与被测介质接触 为 了保证接触良好 一般可使千分表初读数为 将千分表装在被测介质铜管 或铝管 的自由伸缩 端固定位置上 使千分表测试端与被测介质接触 为 了保证接触良好 一般可使千分表初读数为 0 4 mm左 右 只要把该数值作为初读数对待 不必调零 左 右 只要把该数值作为初读数对待 不必调零 大学物理实验大学物理实验 5 设定最高加热温度为设定最高加热温度为700c 按下加热按钮 高速或 低速均可 但低速档由于功率小 一般最多只能加 热到 按下加热按钮 高速或 低速均可 但低速档由于功率小 一般最多只能加 热到 500c左右左右 观察被测金属管温度的变化 观察被测金属管温度的变化 6 测量并记录数据 当被测介质温度分别为测量并记录数据 当被测介质温度分别为350c 380c 410c 440c 470c 500c 530c 560c 590c 620c时 记录对应的千分表读数 打开强制风冷 开始降温 过程 当温度由 时 记录对应的千分表读数 打开强制风冷 开始降温 过程 当温度由620c下降到下降到350c时 每隔时 每隔30c分别再次 对应记录读数 分别再次 对应记录读数 温度值是参考 可任意选择温度温度值是参考 可任意选择温度t1 每隔每隔 t温度 记录数据 温度 记录数据6 组或组或8组 组 大学物理实验大学物理实验 7 换不同的金属棒样品 按换不同的金属棒样品 按3 6步骤测量 步骤测量 大学物理实验大学物理实验 六 数据表格及处理 样品样品1 L0 mm 样品温度 样品温度 t0 参考参考35 t0 3 38 t0 6 41 t1 9 44 t1 12 47 t1 15 50 t1 18 53 t1 21 56 t1 24 59 t1 27 62 千分表读数千分表读数n 升温过程升温过程 mm 千分表读数千分表读数n 降温过程降温过程 mm 千分表读数 平均值 千分表读数 平均值 mm 样品样品2 L0 mm 样品温度 样品温度 t1 t1 3t1 6t1 9t1 12t1 15t1 18t1 21t1 24t1 27 千分表读数千分表读数n 升温过程升温过程 mm 千分表读数千分表读数n 降温过程降温过程 mm 千分表读数 平均值 千分表读数 平均值 mm 1 数据记录数据记录 大学物理实验大学物理实验 L0 500 0mm 40 1 Lnn 51 2 Lnn 62 3 Lnn 73 4 Lnn 0 0ttL L l 1234 4LLLLL 2 逐差法算出温度变化逐差法算出温度变化4 t对应的对应的 L 选取 选取8组 数据计算 组 数据计算 3 按公式算出线膨胀系数按公式算出线膨胀系数 大学物理实验大学物理实验 4 作图求解作图求解 00ttLL l 000 0ll nnL tL t 千分表读数千分表读数n与温度与温度t成线性关系 线性系数满足成线性关系 线性系数满足 0 l kL 0 l k L 得得 大学物理实验大学物理实验 A 在坐标纸 在坐标纸 计算纸 上 横坐标为温度 纵坐标 为千分表读数描点做出直线 求出斜率 计算纸 上 横坐标为温度 纵坐标 为千分表读数描点做出直线 求出斜率k B Exel里作图求出里作图求出k 参考附录 参考附录 大学物理实验大学物理实验 5 测量结果的相对不确定度分析测量结果的相对不确定度分析 0 0 l uL u L tt 2 1 1 k i i xx S x k k 1234 4 3 LLLLLLLL SL 2 222 LABB uuuSLu 只考虑千分表读数的不确定度只考虑千分表读数的不确定度 6 测量结果的表示 计算过 程可参考附录 测量结果的表示 计算过 程可参考附录2 2 l u 大学物理实验大学物理实验 七 注意事项 1 在开始测量数据后 不能碰撞到千分表 即使在 桌面引起的微小振动也可能引起千分表非正常读数 变化 在开始测量数据后 不能碰撞到千分表 即使在 桌面引起的微小振动也可能引起千分表非正常读数 变化 2 在温度达到指定温度时 迅速读数 不能有丝毫 滞后 在温度达到指定温度时 迅速读数 不能有丝毫 滞后 大学物理实验大学物理实验 八 问题讨论 1 该实验的误差来源主要有哪些该实验的误差来源主要有哪些 2 如何利用逐差法处理数据如何利用逐差法处理数据 3 利用千分表读数应注意哪些问题利用千分表读数应注意哪些问题 如何消除误差如何消除误差 大学物理实验大学物理实验 3 仪器误差 B 1 1 2 kk NN k i i A 2 2 BA 间接测量的标准不确定度的传递间接测量的标准不确定度的传递 附录1 不确定度的计算方法 参考绪论 1 计算和差形式方便 计算和差形式方便 2 计算乘除 指数形式方便 计算乘除 指数形式方便 2 i x i x i u x f u i x i x i u x f x u 2 ln 大学物理实验大学物理实验 0 0 l uL u L tt A 本次实验中如果仅考虑千分表读数的不确定 可用 本次实验中如果仅考虑千分表读数的不确定 可用 1 方法 方法 2222 0 0 0000 l l uu LuLtt ttttLL B 本次实验中如果考虑千分表读数 金属原长以 及温度读数的不确定 可用 本次实验中如果考虑千分表读数 金属原长以 及温度读数的不确定 可用 2 方法 方法 大学物理实验大学物理实验 附录2 Exel数据处理过程 1 打开 海南大学物理实验打开 海南大学物理实验Exel处理处理 线膨胀系数线膨胀系数 2 在红色区域填入记录第一个数据的温度 推荐