大学物理仿真实验报告

大学物理仿真实验报告

固体线膨胀系数的测量

院系名称：电信学院

专业班级：计算机13班 姓 名：姜文涛 学 号：2110505063

固体热膨胀系数的测量

物质内部的分子都处于不停地运动中，而分子运动强弱的不同，造成绝大多数材料都表现出热胀冷缩的特性。人们在工程结构设计时，例如在房屋、铁路、桥梁、机械和仪器制造、材料的焊接等行业中一定要考虑到这一因素，如果忽略这一特性，将造成工程结构稳定性差，严重的可造成损毁，使仪表失灵以及在材料焊接中的缺陷等。

热膨胀系数的测定在工程技术中是非常重要的，本实验的目的主要是测定金属棒的线胀系数，并学习一种测量微小长度的方法。

一、实验目的

1． 了解研究和测量热膨胀系数的意义及其应用。 2． 学习用光杠杆法测量微小长度变化。 3． 学习测量金属棒的线膨胀系数。

二、实验原理

1． 材料的热膨胀系数

各种材料热胀冷缩的强弱是不同的，为了定量区分它们，人们找到了表征这种热胀冷缩特性的物理量，线胀系数和体胀系数。

线膨胀是材料在受热膨胀时，在一维方向上的伸长。在一定的温度范围内，固体受热后，其长度都会增加，设物体原长为 ，由初温 加热至末温 ，物体伸长了 则有

,

上式表明，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。

体膨胀是材料在受热时体积的增加，即材料在三维方向上的增加。体膨胀系数定义

表示。即

为在压力不变的条件下，温度升高1K所引起的物体体积的相对变化，用

一般情况下，固体的体胀系数 和

为其线胀系数的3倍，即

，利用已知的

，我们可测出液体的体胀系数。

2． 线胀系数的测量

线膨胀系数是选用材料时的一项重要指标。实验表明，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。殷钢、熔凝石英的线胀系数很小，由于这一特性，殷钢、石英多被用在精密测量仪器中。表1.2.1-1给出了几种材料的线胀系数。

人们在实验中发现，同一材料在不同的温度区域，其线胀系数是不同的，例如某些合金，在金相组织发生变化的温度附近，会出现线胀系数的突变。但在温度变化不大的范围内，线胀系数仍然是一个常量。因此，线胀系数的测量是人们了解材料特性的一种重要手段。在设计任何要经受温度变化的工程结构（如桥梁、铁路等）时，必须采取措施防止热胀冷缩的影响。例如，在长的蒸气管道上，可以插入一些可伸缩的接头或插入一段U型管；在桥梁中，可将桥的一端固牢在桥墩上，把另一端放在滚轴上；在铁路上，两根钢轨接头处要留有间隙等。

在式（1）中， 化

是一个微小的变化量，以金属为例，若原长 =300mm，温度变

约为

，估计

。这样微小

，金属的线胀系数

的长度变化，普通米尺、游标卡尺的精度是不够的，可采用千分尺、读数显微镜、光杠杆放大法、光学干涉法等。考虑到测量方便和测量精度，我们采用光杠杆法测量

光杠杆系统是由平面镜及底座，望远镜和米尺组成的。光杠杆放大原理如图1.2.1-1所示。当金属杆伸长时，从望远镜中可读出待测杆伸长前后叉丝所对标尺的读数 ，

，这时有

将式（3）代入式（2），则有

放大公式的推导参看第一册实验5.3.1

三、实验仪器

尺读望远镜、米尺、固体线膨胀系数测定仪、铜棒、光杠杆、温度计

四、实验内容

（1） 仪器调节：实验装置图如图1.2.1-2所示。实验时，将待测金属棒直立在线

胀系数测定仪的金属圆筒中，棒的下端要和基座紧密相连，上端露出筒外，装好温度计，将光杠杆的后足尖置于金属棒的上端，二前足尖置于固定台上。在光杠杆前1m左右放置望远镜及直尺。调节望远镜，直到看清楚平面镜中直尺的像，反复调节，使标尺成像清晰，且叉丝也清晰，并使像与叉丝之间无视差，即眼睛上下移动时，标尺与叉丝没有相对移动。

（2） 读出叉丝横线在直尺上的读数 ，记录初温 ，蒸气进入金属筒后，金属

棒迅速伸长，待温度计的读数稳定几分钟后，读出望远镜叉丝横线所对直尺的数值

，并记下 。

（3） 如果线胀仪采用电加热，测量可从室温开始，每间隔

值，直到t达

计一次t和b的

。然后逐渐降温，重复测以上数据。

（4） 测量直尺到平面镜间距离D，将光杠杆在白纸上轻轻压出三个足尖印痕，用

游标卡尺测量其后足尖到两前足尖连线的距离 。

（5） 以t为横坐标,b为纵坐标作出b-t关系曲线,求直线斜率k,并由此计算 。

（6） 用最小二乘法求直线斜率k,并计算 的标准误差。

五、实验数据记录与处理

l=62.1mm

D=1885.4mm

K=0.3772

搜索“diyifanwen.net”或“第一范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，第一范文网，提供最新幼儿教育大学物理仿真实验报告 全文阅读和word下载服务。