固体线膨胀系数测定实验的改进

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1、第３３卷第２期物理实验Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．２２０１３年２月ＰＨＹＳＩＣＳＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＴＩＯＮＦｅｂ．，２０１３櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶固体线膨胀系数测定实验的改进裴力，张玮，刘春杰，王学凤，杨辉（吉林大学物理学院，吉林长春１３００１２）摘要：针对固体线膨胀系数测定实验中样品所处温度梯度场过大、升温和降温速率控制精度低的问题，提出了实验改进的措施．阐述了减小实验样品的温度场梯度，用设定程序控制实验样品的升温、恒温和降温的实施过程，并对金

2、属样品线膨胀系数测定实验结果进行了分析，取得了固体线膨胀系数测定实验的改进设计的预期效果．关键词：固体；线膨胀系数；程序控制；温度梯度场中图分类号：Ｏ３４３文献标识码：Ａ文章编号：１００５－４６４２（２０１３）０２－００４１－０５基本相等．样品的顶端高出电加热炉的上端，即１引言样品的顶端延长到电加热炉之外．样品的顶端处热膨胀系数是物质的基本热参量之一，是表于室温区，样品的中端处于高温区，样品在测试中征材料性质的重要特征量，热膨胀系数与原子间所跨的温度梯度为２０～１２０℃．而且，样品高端结合力直接相关．膨胀系数包括

3、：液体的体膨胀不但裸露在加热炉之外，还与金属制成的光杠杆［１］系数、金属的线膨胀系数等．金属线膨胀系数反射镜架相接触，样品顶端的热损失既有对流热可分为：固体线膨胀系数和柔性金属材料线膨胀损失还有传导热损失．总之，该固体线膨胀系数［２］系数．正确掌握固体线膨胀系数的规律性，对测量仪在工作原理上就不够严谨．于基础科学研究、技术创新、工程技术的设计与应［３］用等都具有重要意义．固体线膨胀系数测量仪有很多种，从用途上可分为２类：一类是普通物理［４］实验课用的，如光杠杆测量蒸气加热式、光杠杆［５］测量电加热式、千分表测量（

4、石英玻璃）电加热［６］［７］式、千分表测量（普通玻璃）电加热式；另一类是专业物理实验室用的，如德国ＮＥＴＺＳＣＨ公司生产的程序控制式固体线膨胀系数测量仪，每台售价在３８万元人民币左右．本文分析了固体线膨胀系数测量仪的特点，设计一种适合普通物理实验用的固体线膨胀系数测量仪．图１改进前的固体线膨胀系数测量仪２实验存在的问题２．２样品与加热炉的升、降温速率不同步问题目前，吉林大学物理学院物理实验中心采用普通物理实验用的与专业物理实验用的线膨的固体线膨胀系数测量仪（长春第五光学仪器厂胀系数测量仪的技术差别之一，是专业用的

5、线膨生产）属于光杠杆测量电加热式，优点是加热恒温胀系数测量仪的控温电路是用程序控制的，而普区比较长，存在的问题主要在以下２个方面：通物理实验用的线膨胀系数测量仪的控温电路是２．１被测样品与加热炉的长度之间的比例问题手控的，且控制旋钮还没有刻度标示；另外，在升如图１所示，样品的长度与电加热炉的长度温前学生要测量Ｌ０，Ｒ，Ｄ和光杠杆的光路调试．“第７届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文收稿日期：２０１２－０５－２１；修改日期：２０１２－０９－１２基金项目：国家基础科学人才培养基金资助项目（吉林大学物理学基地Ｊ０７３

6、０３１１）作者简介：裴力（１９５８－），男，吉林长春人，吉林大学物理学院研究员，硕士，主要研究方向为固体氧化物燃料电池．４２物理实验第３３卷完成测量和调试后，留给管状电加热炉的升、降温封和保温层的厚度．本实验用的管状加热炉的炉的时间就不多了．学生因时间的原因，在很短的口密封不良，炉口无保温层．所以，高温段恒温区时间内用１００％功率（全功率）完成升温操作．若ｈ高／ｈ绕＝０．３为最佳值．在冬季做该实验降温时，学生关闭加热炉的电源，样品的长度再短些其数据更好，这是因为样因实验室的室温低和加热炉的保温层很薄的原品的整体处

7、于加热炉的高温（恒温）区，即样品所因，使加热炉在高温时的降温速率很快．从而，使处的空间温度场梯度很小．但是，样品的长度并加热炉的升、降温速率与样品实际的升、降温速率不是越小越好．样品太短直接影响被测样品在温不同步的问题更加突出．度作用下的变量减小，变量的减小又导致线膨胀系数的有效数字位数减少．如图３所示，按上述３改进措施要求，利用长春第五光学仪器厂的加热炉，长度为３．１减小测试样品所在温度场的梯度５４０ｍｍ，炉的内经为２０ｍｍ，被测样品为铝合金，为了真实客观地测量炉腔内恒温区的分布，长度为１５４．５６ｍｍ，直径为

8、６．００ｍｍ．将微小长将炉腔内的样品取出，在炉腔内放置２个温差电度变量ΔＬ用千分表测量［千分表的测量优点是：偶，第一个温差电偶固定在炉腔内的一点上，控制在样品的长度变短时（小于加热炉的炉长）也可测炉腔内该固定点分别在４０，６０，８０，１００，１２０℃时量］，而且，千分表的精度是１／１０００ｍｍ．设计装的恒温；在第一个温差电偶对每个恒温点进行恒载样品的玻璃管是采用高硼硅玻璃