大学物理金属线膨胀系数测量实验报告.doc

实验 （七） 项目名称：金属线膨胀系数测量实验 一、实验目的 1、学习测量金属线膨胀系数的一种方法。 2、学会使用千分表。 二、实验原理 材料的线膨胀是材料受热膨胀时，在一维方向的伸长。线胀系数是选用材料的一项重要指标。特别是研制新材料，少不了要对材料线胀系数做测定。 固体受热后其长度的增加称为线膨胀。经验表明，在一定的温度范围内，原长为的物体，受热后其伸长量与其温度的增加量近似成正比，与原长亦成正比，即： （1） 式中的比例系数称为固体的线膨胀系数（简称线胀系数）。大量实验表明，不同材料的线胀系数不同，塑料的线胀系数最大，金属次之，殷钢、熔融石英的线胀系数很小。殷钢和石英的这一特性在精密测量仪器中有较多的应用。 几种材料的线胀系数 材 料 铜、铁、铝 普通玻璃、陶瓷 殷 钢 熔凝石英 数量级 实验还发现，同一材料在不同温度区域，其线胀系数不一定相同。某些合金，在金相组织发生变化的温度附近，同时会出现线胀量的突变。另外还发现线膨胀系数与材料纯度有关，某些材料掺杂后，线膨胀系数变化很大。因此测定线胀系数也是了解材料特性的一种手段。但是，在温度变化不大的范围内，线胀系数仍可认为是一常量。 为测量线胀系数，我们将材料做成条状或杆状。由（1）式可知，测量出时杆长、受热后温度从升高到时的伸长量和受热前后的温度升高量()，则该材料在温度区域的线胀系数为：（2） 其物理意义是固体材料在温度区域内，温度每升高一度时材料的相对伸长量，其单位为。 测量线胀系数的主要问题是如何测伸长量。我们先粗估算一下的大小，若,温度变化，金属的数量级为，则估算出。对于这么微小的伸长量，用普通量具如钢尺或游标卡尺是测不准的。可采用千分表（分度值为）、读数显微镜、光杠杆放大法、光学干涉法等方法。本实验用千分表（分度值为）测微小的线胀量。 三、实验主要仪器设备和材料 序号 名 称 型号规格 数量 主要用途 1 金属线膨胀系数测量仪 FB712型 1 测量铜棒铝棒的膨胀系数 2 被测件测试架 1 3 千分表 1 测量金属受热的膨胀长度 4 传感器连接线 2 测量水和金属的温度 5 钢卷尺 1m 1 测量铜棒铝棒的长度 四、实验内容和步骤 ．把样品空心铜棒、铝棒安装在测试架上。在室温下用米尺重复测量金属杆的原有长度次，记录到表中，求出原有长度的平均值。 ．安装好实验装置，连接好加热皮管，打开电源开关，以便从仪器面板水位显示器上观察水位情况。水箱容积大约为。 .加水步骤:先打开机箱顶部的加水口和后面的溢水管口塑料盖，用漏斗从加水口往统内加水，管路中的气体将从溢水管口跑出，直到系统的水位计仅有上方一个红灯亮，其余都转变为绿灯时，可以先关闭溢水管口塑料盖。接着可以按下强制冷却按钮，让循环水泵试运行，由于系统内可能存在大量气泡，造成水位计显示虚假水位，只有利用循环水泵试运行过程，把系统内气体排出，这时候水位下降，仪器自动保护停机。因此，在虚假水位显示已满的情况下，采用反复启动强制冷却按钮,利用循环水泵的间断工作把管路中的空气排除,即启动强制冷却按钮→自动停机→再加水的反复过程，直到最终系统的水位计稳定显示，水位计只剩上方一个红灯未转变为绿灯，此时必须停止加水，以防水从系统溢出，流淌到实验桌上。接下来即可进行正常实验，实验过程中发现水位下降，应该适时补充。 ．设置好温度控制器加热温度，一般加热温度设定值应该比金属管所需要的实验温度值高，具体可根据温度的高低，决定温度提高量。 ．将铝管对应的测温传感器信号输出插座与测试仪的介质温度传感器插座相连接。将千分尺装在被测介质铝管的自由伸缩端固定位置上，使千分表测试端与被测介质接触， ．正常测量时，可以把不测量的测件的水龙头关闭，可节约能源，缩短加热时间。实验时，按下加热按钮（高速或低速均可，但低速档由于功率小，一般最多只能加热到左右)，观察水温和被测金属管温度的变化，直至金属管温度等于所需温度值（）。 ．测量并记录数据： 当被测介质温度为时，读出千分表数值，记入表2中。接着在温度为时，记录对应的千分表读数 ．用逐差法求出温度每升高金属棒的平均伸长量，由（2）式即可求出金属棒在（，）温度区间的线膨胀系数。 五、实验数据处理与分析 ?1．数据记录1： 测量次数 1 2 3 平均值 铝棒有效长度 501 505 506 504 2．?数据记录2： 样品温度 35 40 45 50 55 60 65 70 测铝棒千分表读数 （） 91 143 187 235 286 330 375 422 ?3．用逐差法处理数据：（也可以用最小二乘法处理） 计算 = = 4．附几种纯金属材料的线膨胀系数： 物质名称 温度范围（）