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时间:2020-02-26
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1、大学物理仿真实验固体热膨胀系数的测量实验报告班级:能动1301班学号:201306130123姓名:夏恩飞固体热膨胀系数的测量———实验简介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
2、测量微小长度的方法。固体热膨胀系数的测量———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
3、所引起的物体体积的相对变化,用表示。即一般情况下,固体的体胀系数为其线胀系数的3倍,即,利用已知的和,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
4、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,若原长=300mm,温度变化,金属的线胀系数约为,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、
5、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),则有固体热膨胀系数的测量———实验仪器热膨胀系数测定仪,尺读望远镜,固体线胀系数测定仪,光杠杆、温度计,电源开关、调节温度、指示灯,米尺固体热膨胀系数的测量———实验内容1.线胀系数的测定(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
6、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,每间隔计一次t和b的值,直到t达
7、。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。固体热膨胀系数的测量———实验数据测得光杠杆后单足到前双足的垂直距离b=6.20cm,镜面到标尺的水平距离D=196.90-8.40=188.50cm.铜丝长度L=57cm温度t/℃102030405060708090望眼镜示数n/mm03.87.111
8、.015.018.622.426.030.0
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