北航物理实验研究性报告

精品文档北航物理实验研究性报告实验题目：稳态法测不良导体的热导率题目代号：1022第一作者：李晓成14151093第二作者：陈继伟14151077一、摘要由于温度不均匀，热量从温度高的地方向温度低的地方转移，这种现象叫做热传导。导热系数是表征物质热传导性质的物理量。按傅里叶定律，其定义为单位温度梯度（在1m长度内温度降低1K）在单位时间内经单位导热面所传递的热量；材料结构的变化与所含杂质对导热系数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常需要由实验具体测定。测量导热系数的方法一般分为两类：一类是稳态法，另一类是动态法。二、关键词稳态法 傅里叶导热方程式 热电偶温差计 不良导体 热导率三、实验基本要求1了解热传导现象； 2学习用稳态法测不良导体的导热系数； 3学会用作图法求冷却速率。四、实验原理所谓稳态法，就是利用热源在待测样品内部形成不随时间改变的稳定温度分布，然后进行测量。1882年Fourier给出了热传导的基本公式Fourier导热方程。方程指出，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此相距为h、温度分别为1、2的平行平面（12），若平面面积为S，则在t时间内通过面积S的热量Q满足下述方程：Qt=kS1-2h(1)式中，Q/t 为热流强度，k称为该物质的热导率（又称导热系数），单位为W(mk).本实验装置如图1所示。在支架D上依次放上圆铜盘P、待测样品B和厚底紫铜圆盘A。在A的上方用红外灯L加热，使样品上、下表面分别维持在稳定的温度1、2q，1、2分别用插入在A、P侧面深孔中的热电偶E来测量。E的冷端浸入盛于杜瓦瓶H内的冰水混合物中。数字式电压表F用来测量温差电动势。由式（1）知，单位时间通过待测样品B任一圆截面的热流量为Qt=kdB241-2hB(2)式中，dB为圆盘样品的直径，hB为样品厚度。当传热达到稳定状态时，通过B盘上表面的热流量与由黄铜盘P向周围环境散热的速率相等。因此，通过求黄铜盘P在稳定温度2时的散热速率来求热流量Q/t 。因此，在读到稳定的1、2后，将B移去，使A直接与P接触。当P的温度上升到高于稳定时读数2若干度后，再将A移开，让P自然冷却。测量其温度随时间的变化，求得t|=2，而mPct|=2(mP为黄铜盘P的质量，c为其比热容）就是黄铜盘在2时的散热速率。但在观测样品稳态传热时，P盘上表面是被样品覆盖着的。所以稳态黄铜盘散热速率表达式修正如下：Qt=mPctdP24+dPhPdP22+dPhP(3)将式（3）代入式（2），得：k=mPctdP+4hPdP+2hPhP1-22dB2(4)五、实验仪器电子天平、数字三用表、冰、保温杯、停表、稳态法实验装置等。六、实验步骤1：用游标卡尺多次测量铜盘，样品的直径，厚度，用电子天平测铜盘的质量。 2：在杜瓦瓶中装冰水混合物，按电路图连接电路。（注意：圆筒发热体A盘侧面和散热盘P的侧面，都有供安插热电偶的小孔，安放发热盘时此二小孔都应与杜瓦瓶在同一侧，以免路线错乱。热电偶插入小孔时，插到洞孔底部，保证接触良好。热电偶冷端插入浸于冰水中的细玻璃管内，玻璃管内也要灌入适当的硅油。） 3：打开加热器开关，打开风扇，为缩短达到稳态的时间，可先将热板电源电压打在220V档，当数分钟后14.00mV再将开关拨至110V档。然后每隔5分钟读一下温度，当10min内，样品圆盘上、下表面温度1、2示值都不变时，即可认为达到稳定状态，记录此时的1、2值。4：抽出样品，关闭风扇，让底盘C与散热盘P直接接触，加热P盘，当温度上升十摄氏度左右时（即热电偶示值大于稳态时2值0.42mV左右）移去发热体。 5：让P盘自然冷却，每隔30s读一次P盘的温度（读电压表示数）示值，由邻近2值的温度数据中(左右各读5次）。求出冷却速率 t|=2。6：整理实验器材，结束实验。七、数据记录铜的比热容C=393.6J/(KgK)圆盘B、黄铜盘P的尺寸、质量：项目12345平均值mp /g900.48900.52/900.50dp /mm129.30129.62129.44129.50129.36129.36hp /mm7.607.687.727.907.867.752dB /mm128.20128.24128.40128.46128.34128.328hB /mm8.808.608.308.368.708.54上下板稳定后温度：上板13.40mv下板21.75mv铜板自然冷却过程中温度变化：时间/s0306090120150180210温度/mv2.172.092.011.941.881.811.751.69续表时间/s240270300330360390420温度/mv1.641.581.541.491.451.411.37八、数据处理1、绘制T-t图：2、在切线上取两点（60，1.98），（360，1.40）得：t=1.98-1.40360-601004.2=0.046/s3、计算热导率k：k=mPctdP+4hPdP+2hPhB1-22dB2=900.5010-3kg0.389103J/(kjK)129.36+47.752mm129.36+27.752mm8.54mm3.40-1.751004.22128.3282mm20.046/s=0.1501W(mK)4、不确定度计算：A类不确定度：uamP=mi-m221=0.020guadP=dPi-dP254=0.0176mmuahP=hPi-hP254=0.0200mmuadB=dBi-dB254=0.0200mmuahB=hBi-hB254=0.0176mmB类不确定度：ubdP=仪3=0.05mm3=0.0289ubhP=仪3=0.05mm3=0.0289ubdB=仪3=0.05mm3=0.0289ubhB=仪3=0.05mm3=0.0289不确定度合成：udP=uadP2+ubdP2=0.031mmuhP=uahP2+ubhP2=0.031mmudB=uadB2+ubdB2=0.031mmuhB=uahB2+ubhB2=0.031mmlnk=lnmP+lnc+ln(dP+4hP)-ln(dP+2hP)+lnhB-ln(1-2)+ln2-ln-lndB2dkk=dmPmP+d(dP+4hP)dP+4hP-d(dP+2hP)dP+2hP+dhBhB-d(1-2)1-2-2ddBdBU(k)k=U(mP）mP2+U(dP+4hP)dP+4hP2-U(dP+2hP)dP+2hP2+U（hB）hB2-U(1-2)1-22-2U（dB）dB2=0.014Uk=0.0140.1501=0.0021最终结果：kUk=0.15010.0021W(mK)九、误差分析1、热电偶与铜板，铜板与样品板之间存在间隙产生的误差。2、数字万用表，游标卡尺赌输时产生的读数误差。3、数字万用表的灵敏度误差。4、直径测量中由于人为估测直径位置带来的系统误差。5、导体内温度分布不均匀差生的误