大学物理实验-金属线膨胀系数的测量

（1314实验室）金属线膨胀系数的测量 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，仪表的失灵，以及加工焊接中的缺陷和失败等等。一 实验目的学习测量金属线膨胀系数的一种方法。二实验仪器金属线膨胀系数测量实验装置、FT-RZT-I 数字智能化热学综合实验平台、游标卡尺、千分表、待测金属杆金属线膨胀系数测量的实验装置如图1所示内有加热引线和温度传感器引线接“上盘”隔热板恒温腔千分表可调顶紧螺旋千分表固定螺钉图1FT-RZT-I 数字智能化热学综合实验平台面板如图2所示调零mVtX0.1KPaVAFT-RZT-I 数字智能化热学综合实验平台IB区C区D区A区 图2三实验原理材料的线膨胀是材料受热膨胀时，在一维方向的伸长。线胀系数是选用材料的一项重要指标。特别是研制新材料，少不了要对材料线胀系数做测定。固体受热后其长度的增加称为线膨胀。经验表明，在一定的温度范围内，原长为L的物体，受热后其伸长量L与其温度的增加量T近似成正比，与原长L亦成正比，即 L = （1）式中的比例系数称为固体的线膨胀系数（简称线胀系数）。大量实验表明，不同材料的线胀系数不同，塑料的线胀系数最大，金属次之，殷钢、熔凝石英的线胀系数很小。殷钢和石英的这一特性在精密测量仪器中有较多的应用。几种材料的线胀系数材 料铜、铁、铝普通玻璃、陶瓷殷 钢熔凝石英数量级/约10约10210约10 实验还发现，同一材料在不同温度区域，其线胀系数不一定相同。某些合金，在金相组织发生变化的温度附近，同时会出现线胀量的突变。因此测定线胀系数也是了解材料特性的一种手段。但是，在温度变化不大的范围内，线胀系数仍可认为是一常量。为测量线胀系数，我们将材料做成条状或杆状。由（1）式可知，测量出时杆长L（一般，杆在时的长度L可以近似等于杆在常温时的长度）、受热后温度达时的伸长量L和受热前后的温度及，则该材料在（，）温区的线胀系数为： = （2）其物理意义是固体材料在（，）温区内，温度每升高一度时材料的相对伸长量，其单位为。测线胀系数的主要问题是如何测伸长量L。而L是很微小的，如当L250mm,温度变化100，金属的a数量级为10时，可估算出L0.25mm。对于这么微小的伸长量，用普通量具如钢尺或游标卡尺是测不准的。可采用千分表（分度值为0.001mm）、读数显微镜、光杠杆放大法、光学干涉法。本实验中采用千分表测微小的线胀量。千分表是一种通过齿轮的多极增速作用，把一微小的位移，转换为读数圆盘上指针的读数变化的微小长度测量工具，它的传动原理如图3所示，结构如图4所示，千分表在使用前，都需要进行调零，调零方法是：在测头无伸缩时，松开“调零固定旋钮”，旋转表壳，使主表盘的零刻度对准主指针，然后固定“调零固定旋钮”。调零好后，毫米指针与主指针都应该对准相应的0刻度。千分表的读数方法：本实验中使用的千分表，其测量范围是0-1mm。当测杆伸缩0.1mm时，主指针转动一周，且毫米指针转动一小格，而表盘被分成了100个小格，所以主指针可以精确到0.1mm的1/100，即0.001mm，可以估读到0.0001mm。即：千分表读数=毫米表盘读数主表盘读数 （单位：mm）（毫米表盘读数不需要估读，主表盘读数需要估读）例如：图5中千分表读数为：0.259.8=0.2598 mmP：带齿条的测杆； ：传动齿轮；R：读数指针 图 3 调零固定旋钮表壳测头主表盘主指针毫米指针毫米表盘测杆轴套挡帽图4 图5四、实验步骤 1、如图1所示，卸下三个下盘支撑螺钉，安装好实验装置，连接好电缆线。将铜杆插人加热盘的恒温腔，使其完全在恒温腔内部，将“可调顶紧螺旋”的尖端靠拢铜杆一端，千分表（已调零好）测头靠拢铜杆的另一端，锁紧“千分表固定螺钉”，旋动“可调顶紧螺旋”，直到千分表的指针微有旋转（约0.20.3mm）。打开电源开关，“测量选择”开关旋至“设定温度”档，调节“设定温度粗选”和“设定温度细选”钮，选择设定加热盘为所需的温度（如40.0）值。2、将“测量选择”开关拨向“上盘温度”档，打开加热开关，观察加热盘温度的变化，直至温度稳定，此时加热盘可能达不到设定温度，可适当调节“设定温度细选”使其温度达到所需的温度（如40.0），这时给加热盘设定的温度要高于所需的温度（如40.0），把此时温度计为，读出千分表数值L。3、重复步骤2，将设定温度依次递增5，且递增9次（如依次为45、50、55.0、60.0、65.0、70.0、75.0、80.0、85），随着温度的上升，千分表开始旋转，当温度达到某一设定值后，千分表停止动作，依次记下此时的温度值（、）及千分表相应的读数（L、L、L、L、L、L、L、L、L）。4、用逐差法求出温度每升高5时铜杆的平均伸长量，由（2）式即可求出铜杆在这个温区（如40.0，85.0）内的线胀系数。五、数据记录及处理1、测量铜杆的原长L测量次数123平均值L0（mm）2、记录对应温度时的千分表读数温度（）4045505560千分表读数Li（mm）温度（）6570758085千分表读数Li+5（mm）Li+5-Li（mm） （mm） （mm）3、计算得到铜杆的线胀系数铜杆在（ ， ）温区的线胀系数为 = 六、注意事项1、千分表安装须适当固定 (以表头无转动为准)且与被测物体有良好的接触(读数在0.20.3mm处较为适宜)；2、因伸长量极小