光杠杆法测量固体的线膨胀系数.pdf

总第 111期第 1期 高 校 实 验 室 工 作 研 究 SerialNO．111，NO．1 2012年 3月 GAOXIAO SHIYANSHIGONGZUO YANJIU Mar．2O12 光杠杆法测量固体的线膨胀系数 仇 旭，史建君，李小云，陈 晖，金 立 (浙江理工大学 物理实验 中心 ，浙江 杭州 310018) 摘 要 ：在光杠杆测量原理的基础上 ，利用 自行设计改进的实验仪器 ，给 出了一种利用其操作方法测量金 属棒线膨胀系数的实验方式。采用光杠杆法测量材料线膨胀系数和原有的PASCO实验仪器相 比具有测量 准确、对环境依赖性更小、更加方便等优点，更适合于学生对于金属棒线膨胀系数实验的操作和理解。 关键词 ：实验仪器 ；线膨胀 系数 ；PASCO实验 ；光杠杆法 任何物体都具有 “热胀冷缩 ”的特性 “，物体 的 线膨胀系数是物体 的基本热学物理性质之一 ，是表征物 体性质的一个重要 的特征量 ，在某些领域 (如高精度实 验领域)是一个非常重要 的物理量 ，尤其对常温以上物 体线膨胀系数的测量在实际工程 中更具有重要意义 。 二 r—i 固体的线膨胀与固体的自身材质相关，与温度成正 王 — I 比，与固体的原有体征 (如长度)成正 比。固体的任 一 何线度 (长度 、宽度 、厚度 、直径等)随温度 的变化 ， 图 1 光杆杆装置原理示意 图 都称为线膨胀 。在普通物理实验中，测量最多的是长 光杠杆法的实质 ：将微小长度变化量经光杠杆装置转变 度 随温度 的变化量 。 为微小角度变化量 ，再经 由尺度望远镜转变为刻度尺上 现如今 ，大多数高校的物理实验都开设 了固体线膨 较大 的读数变化量 ，从而实现对微小变化量 的计算 。这 胀系数测定的实验，各校使用的仪器不尽相 同，采用的 样不仅可 以提高测量 的准确度 ，还可 以实现非接触测 方法也是多种多样 ，但实验 中往往都有一个共 同的问题 量 。 — — 相对误差很大。针对实验 中心所用的PASCO 实验 1．2 固体的线膨胀 系数 仪器在实验过程 中学生测量所得的数据往往浮动较大 ， 通常 固体 的长度随温度的升高而伸长 ，其长度和温 稳定性 比较差。我们通过改 良实验方法，力求更准确的 度之间的关系为 ： 测准微小长度 ，从而实现提高实验精度的 目的…。 L=L0 (1+ott+Bt+…) (2) 测量微小变化量的方法常用 的是两种 ：螺旋测微法 式中L 为固体在初始状态时的长度 ， 、B、…是与被 和光杠杆法 。结合实验 中心的实际情况 ，从操作性及稳 测固体本身相关 的常数 ，都是些 比较小的数值 。而 母以 定性方面考虑，我们选择了使用光杠杆法进行测量 。 下各系数与 相 比甚小，在常温下可以忽略。因此有 1 实验原理 L =L (1+ott) (3) 此处的 就是通常所称的线膨胀系数，单位是℃～。当 1．1 测 量 原 理 固体的温度分别为 t和 t时，其对应长度 L 和 L：可分 b／2S称为光杠杆常数 ，其 中b为三足平面镜 的臂 别表示为 ： ．