土木1302刘旭固体热膨胀系数的测量实验报告_土木工程测绘实验报告

2020-02-27 其他范文下载本文

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西安石油大学物理实验报告

班级：土木1302

姓名:刘旭

学号：201306050208

固体热膨胀系数的测量

一、实验目的测定金属棒的热胀系数，并学习一种测量微小长度的方法。

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

表示。即

一般情况下，固体的体胀系数，利用已知的和

2．为其线胀系数的3倍，即，我们可测出液体的体胀系数。

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，是一个微小的变化量，以金属为例，若原，金属的线胀系数约为长 =300mm，温度变化，估计

。这样微小的长度变化，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

图 1 : 热膨胀系数测定仪

图 2 : 尺读望远镜

图 3 : 固体线胀系数测定仪

图 4 : 光杠杆、温度计

图 5 : 电源开关、调节温度、指示灯

图 6 : 尺读望远镜

图 7 : 标尺、调焦望远镜

图8 : 视度圈、调焦手轮

图 9 : 光杠杆

图 10 : 铜棒、温度计

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、实验内容及步骤

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 11

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

计一次t和b的值，直到t达重复测以上数据。

（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。实验步骤：

1、在实验界面单击右键选择“开始实验”

2、调节平面镜至竖直状态

。然后逐渐降温，123、打开望远镜视野，并调节方位、聚焦、目镜使得标尺刻线清晰，且中央叉丝读数为0.0mm4、单击铜棒测量长度，单击温度计显示铜棒温度，打开电源加热，记录每升高10度时标尺读数直至温度升高到90度止

5、单击卷尺，分别测量l、D 13

六、思考题

1．对于一种材料来说，线胀系数是否一定是一个常数？为什么？