实验1 金属线胀系数测量.doc

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1、实验1 金属线胀系数测量 绝大多数物体都具有“热胀冷缩”的性质，这是由于常压下物体内部分子热运动加剧或减弱造成分子间距增大或减小，从而宏观体积增大或缩小。这个特性在工程结构中，在材料选择及加工中必须考虑。材料的线膨胀是材料受热膨胀时，在一维方向上的伸长，常以线胀系数表示。线胀系数是材料的热学参数之一，这个参数对选用合适的材料，特别是研究新材料时尤为重要。 实验目的 1学习并掌握光杠杆放大原理及应用； 2测定铜管的线膨胀系数。实验原理 1热膨胀 常压下，固体物体受热温度升高时，物体内部微粒间距（物体微粒热运动平衡位置间的距离)增大，宏观上表现为物体体积增大，这就是常见的固体热膨胀现象。 固体热膨

2、胀时在某一方向上线度的增大，称为线膨胀。大量实验证明，它随温度的变化近似呈线性关系，在常压常温附近可作线性处理，表示为： (1-1)为时的长度（原长），为升温到时的长度，称为线胀系数。 2线胀系数 线胀系数在数值上等于当温度每升高1时，物体每单位原长的伸长。其数值因材料的不同而不同。 (1-2)其中为物体温度从升到时长度的增长量。严格地说，线胀系数也是温度的函数，但在常压下，常温附近因温度不同，线胀系数变化不大，可视为常量，称之为平均线胀系数（简称为线胀系数）。3光杠杆放大原理微小长度变化的测定 因为固体的线胀系数较小，即很小，故利用光学原理可放大的示读值。3.1光杠杆测长度微小变化的原理对于

3、物体长度微小的改变，通常不能用米尺来测量，但可用光杠杆放大原理进行测量。光杠杆是由一块平面镜和三脚支架构成的，如图1-1所示。把前足a、b放在固定的横槽内，后足c放在要测量形变的地方，由于铜管变形可使后足升高或降低，从而使小圆镜发生俯仰。通过望远镜及标尺读数即可测其形变量，装置如图1-2。用法和原理如下：(1) 在距光杠杆处（大于米），放置望远镜及标尺，调节望远镜及光杠杆位置，使在望远镜中能看到平面镜中反射回来的标尺像，再使望远镜叉丝与标尺的刻度线平行。(2) 由望远镜中读出标尺的初读数。(3) 由于温度的改变，铜杆伸缩，而使后足c点移动了，到c处，此时平面镜转动了一个小角度，望远镜标尺读数变

4、为S。因为角度一般很小，所以 d为光杠杆后足c到前足a、b的垂直距离，如图1-1所示。当镜面法线转过了角时，望远镜中标尺的读数的位置改变了()，由光线的入射角与反射角相等可知，这时反射角转过了2，有，所以 =这就是我们要测量的形变量。 图1-1 光杠杆 图1-2 光杠杆及望远镜系统3.2光杠杆、标尺和望远镜系统的调节方法 (1) 把光杠杆的前足a、b放在铁架的横槽中，后足c放在铜管的截面上，使镜面大致与地面垂直。 (2) 将望远镜连同标尺移至镜面正前方米以远，调节望远镜上下位置，使之与光杠杆的小镜处于同一高度，使望远镜大致对准镜面。 (3) 沿望远镜上缘上的缺口、准星方向看过去，观察镜中是否有

5、标尺的像。若没有，可左、右、上、下移动眼睛，依据看到的像的方向，修正镜面的俯仰或望远镜光轴的左右方向，直至沿缺口、准星看过去能看到标尺的像为止。微调望远镜上的水平微调螺钉，使准星、平面镜中心、标尺像的中央三点在同一直线上。 (4) 从目镜中观察，调节目镜视度，看清叉丝。调节望远镜焦距，看清标尺像。 (5) 上下微微移动眼睛，看标尺与叉丝有无相对运动，若有，说明标尺的像没有落到叉丝平面上，应仔细调焦直至无视差。(6) 微调节平面镜俯仰，使初读数在标尺上的位置约与望远镜光轴等高。实验装置线胀仪(包括铜杆)、光杠杆、望远镜及标尺、温度传感器、数字温度显示仪、钢直尺、钢卷尺、游标卡尺。 (a) 线胀仪

6、 (b) 加热器电路示意图 图1-3 线胀仪 线胀仪（图1-3 a）是装有管形加热器及金属散热罩的装置。加热器的电器线路示意图如图1-3b。被测铜管放在空心管形加热器中，与数字温度显示仪相连的温度传感器插在待测铜管里，其下端长约150200毫米在待测铜管中，待测铜管的上端放置光杠杆的后足。当铜管温度变化时，铜管有伸缩，因铜管下端与线胀仪的金属底面相接触，不能往下伸缩，因此铜管的伸缩完全由上端反映出来。实验内容及操作步骤 1将铜管放在实验台上，用钢直尺测量长度，然后放入线胀仪中。 2调好光杠杆及望远镜。记下初温度和标尺的初读数。 3将加热器的调压电位器（在线胀仪底座上）放置零端，接通电源；调节电

7、位器旋钮，使指示灯发出微弱的光亮；观察温度上升时望远镜中的读数变化，直至温度稳定读数不变。然后断开电源，每当温度下降10左右时，记下与的值，直至值稳定不变时为止。 4用钢卷尺量出光杠杆镜面到标尺的距离，然后把光杠杆取下，用游标卡尺测量d值（方法：将光杠杆在纸上轻压，印出a、b、c点的痕迹，连接ab作垂线CM，CM之长即为d值）。记下测量的、D各量所使用的量具的基本误差。 5以为横坐标，为纵坐标，以实验数据作曲线，用两点法求斜率k，计算值。注意： 读数动作要快，同时读和的值。 整个实验过程中，各仪器及桌子都要避免震动，否则在望远镜中的及读数会发生改变引起误差。数据处理1将所测量数据填入下表中： 被测物理量Dd测量值温度下降时的标尺读数温度()标尺读数(cm)2按作图规则作图线，在图线上取二点求斜率k。3计算线胀系数，写出实验结果。思考题 1如何用光杠杆放大的方法测微小长度？ 2计算铜管在你的实验温度范围内的线膨胀，并分析是否能用米尺、游标卡尺来直接测量出它？为什么？ 3为什么在温度下降过程中测量和，而不在升温过程中测量？