大学物理实验不良导体的热导系数的测量讲义.docx

不良导体的热导系数的测量 实验简介 材料的导热系数是反映材料热性能的物理量，导热机理在很大程度上取决与它的微观结构，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移。导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关，而且与它的微观结构、温度、 压力及杂质含量相联系。 测量导热系数的方法比较多，但可以归并为两类基本方法：一类是稳态法，另一类是动态法。用稳态法时，先用热源对测试样品进行加热，并在样品内部形成稳定的温度分析，然后进行测量。而在动态法中，待测样品中的温度分布是随时间变化的，例如按周期性变化等。本实验采用稳态法进行测量。 实验目的 了解热传导现象的物理过程，学习用稳态平板法测量不良导体的导热系数并用作图法求冷却速率。 实验仪器 待测橡皮垫、黄铜板、加热铜质圆盘（带隔热层）、红外灯、热电偶、杜瓦瓶、冰水混合物、 0~250V 变压器、秒表、游标卡尺等 实验原理 1，导热系数 当物体内存在温度梯度时，热量从高温流向低温，谓之热传导或传热，传热速率正比于温度梯度以及垂直于温度梯度的面积，比例系数为热导系数或导热率： dQ ? ?? dT dS （1） dt dx 2，不良导体导热系数的测量 厚度为h 、截面面积为S 的平板形样品（橡胶板）夹在加热圆盘和黄铜盘之间。热量由加热盘传入。加热盘和黄铜盘上各有一小孔，热电偶可插入孔内测量温度，两面高低温度恒定 为 T 和 T 1 2 时，传热速率为 dQ T ? T ? ?? 1 dt h 2 S （2） 图 1 图 2 由于传热速率很难测量，但当 T 1 和 T 稳定时，传入橡胶板的热量应等于它向周围的散热 2 量。 这时移去橡胶板，使加热盘与铜盘直接接触，将铜盘加热到高于 T 2 约 10 度，然后再移 去加热盘，让黄铜盘全表面自由放热。每隔30 秒记录铜盘的温度，一直到其温度低于T ，据 2 此求出铜盘在 T 2 附近的冷却速率 dT 。 dt 铜盘在稳态传热时，通过其下表面和侧面对外放热；而移去加热盘和橡胶板后是通过上 下表面以及侧面放热。物体的散热速率应与它们的散热面积成正比， dQ ?R?R ? 2h? dQ? dt ? ?R?2R ? 2h? dt （3） 式中 dQ? 为盘自由散热速率。而对于温度均匀的物体，有 dt dQ? ? mc dT （4） di dt 这样，就有 dQ ?R?R ? 2h? dT dt ? ?R?2R ? 2h?mc dt （5） 结合（2）式，可以求出导热系数： ? ? m铜c铜hB (R ? 2h ) dT ?A? A ? ?  (6) 2?R 2 (T ? T ) R ? h dt B 1 2 A A 铜m 、hB、RB、hA、T1、T2 都可以由实验测量出准确值，而黄铜盘的比热容为 0.3709 kJ/kg?K。 铜 实验内容 观察和认识传热现象、过程及规律 用卡尺测量黄铜盘 A 和待测橡胶盘 B 的厚度和直径，要求多次测量，并求出平均值和不确定度。 A 盘的质量为已知。 连接好仪器，将热电偶插入A 盘和加热筒底部侧面的小孔内，热电偶的冷端置于保温瓶的冰水混合物中。 接通调压器电源，缓慢升高电压，使红外灯电压逐渐升高到 200V 左右，待加热筒的温度升到 80 度左右时，降低电压到 125V 左右，然后每隔一段时间读一次 T1 和 T2 的温度值， 直到二者的示值在 10 分钟内基本保持不变，则可以认为达到稳定状态，记下这时的 T1 和 T2 值，随后移去橡胶盘，让黄铜 A 盘和传热筒的底部直接接触，加热 A 盘使其温度比 T2 高约 10?C 左右，把调压器的电压降到零，断开电源，移去传热筒，让A 盘在空气中自然冷却，每隔 30 秒记一次温度值，选择最接近 T2 前后的各 6 个数据。 用逐差法求出黄铜盘 A 的冷却速率 dT ，并由公式（6）求出样品的导热系数? 。 dt 绘出 T－t 关系图，用作图法求出冷却速率 dT 。 dt 用方程回归法进行线性拟合，求解冷却速率 dT dt 及其误差，将结果代入式（6）,计算样品的 导热系数? 及其不确定度 U?。 注意事项 使用前将加热铜板 A 与散热铜板 B 擦干净，样品两端面擦干净后，可涂上少量硅油，以保证接触良好。 实验过程中，如需触及电热板，应先关闭电源，以免烫伤。 实验结束后，应切断电源，妥为放置测量样品，不要使样品两端面划伤而影响实验的正确性。 选做内容 测量胶木板的导热系数。 增选内容 设计方案：如何利用该装置测量一金属圆柱体的导热系数。 实验重点与难点 系统稳定状态的确定，合适与否决定了测量结果的准确性；尽量减少实验中产生误差的因素。 思考题 傅立叶定律 dQ 传是不易测准的量，本实验如何巧妙地避开了这一问题？ dt 试分析实验中产生误差的