固体热膨胀系数的测量

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一、实验目的

测定金属棒的线胀系数，并学习一种测量微小长度的方法。

二、仪器及用具

热膨胀系数测定仪(尺读望远镜、米尺、固体线膨胀系数测定仪、铜棒、光杠杆、温度计等)

三、实验原理

1．材料的热膨胀系数

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L，由初温t1加热至末温t2，物体伸长了     △L,则有

   （1）                           （2）

此式表明，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。一般情况下，固体的体胀系数为其线胀系数的3倍。

2．线胀系数的测量

在式（1）中△L是个极小的量，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、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。光杠杆放大原理如下图所示：

当金属杆伸长△L时，从望远镜中叉丝所对标尺刻度前后为b1、b2，这时有： 

 

带入（2）式得固体线膨胀系数为：

 

四、实验步骤及操作

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材料热膨胀系数的测量

一、实验目的

1、了解测定热膨胀系数曲线对生产的指导意义

2、掌握PCY型高温卧式膨胀仪和ZRPY-200热膨胀系数测定仪（低温膨胀仪）的使用和软件操作；

3、掌握示差法测定热膨胀系数的原理和方法，使用热膨胀仪测量不同材料的热膨胀系数。

二．实验原理

1、测量热膨胀系数的意义

物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。热膨胀系数是材料的主要物理性质之一，它是衡量材料的热稳定性好坏的一个重要指标。

在实际应用中，当两种不同的材料彼此焊接或熔接时，选择材料的热膨胀系数显得尤为重要，如玻璃仪器、陶瓷制品的焊接加工，都要求二种材料具备相近的膨胀系数。在电真空工业和仪器制造工业中广泛地将非金属材料(玻璃、陶瓷)与各种金属焊接，也要求两者有相适应的热膨胀系数；如果选择材料的膨胀系数相差比较大，焊接时由于膨胀的速度不同，在焊接处产生应力，降低了材料的机械强度和气密性，严重时会导致焊接处脱落、炸裂、漏气或漏油。如果层状物由两种材料迭置连接而成，则温度变化时，由于两种材料膨胀值不同，若仍连接在一起，体系中要采用一个中间膨胀值，从而使一种材料中产生压应力而另一种材料中产生大小相等的张应力，恰当地利用这个特性，可以增加制品的强度。因此，测定材料的热膨胀系数具有重要的意义。

2、测量原理

一般的普通材料，通常所说膨胀系数是指线膨胀系数，其意义是温度升高1℃时单位长度上所增加的长度，单位为厘米/厘米·度。假设物体原来的长度为L0，温度升高后长度的增加量为L，它们之间存在如下关系：   

    　   L╱L0＝1t　　　　　　　　　　　　　（1）

式中，1称为线膨胀系数，也就是温度每升高1℃时，物体的相对伸长。

当物体的温度从T1上升到T2时，其体积也从V1变化为V2，则该物体在T1至T2的温度范围内，温度每上升一个单位，单位体积物体的平均增长量为

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实验项目名称：固体热膨胀系数的测量

一、实验目的

1．  了解研究和测量热膨胀系数的意义及其应用。

2．  学习用光杠杆法测量微小长度变化。

3．  学习测量铜棒的线膨胀系数。

4.   学习图示法处理数据

二、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 L，由初温t₁ 加热至末温t₂ ，物体伸长了ΔL,则有

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。

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b₁，b₂这时有

放大公式的推导参看第一册实验5.3.1

三、实验仪器

热膨胀系数测定仪、尺度望远镜、光杠杆、温度计、电源开关、调节温度、指示灯、铜棒、米尺。

四、实验内容及步骤

线胀系数的测定

（1）仪器调节：实验装置图如图1.2.1-1所示。实验时，将待测金属棒直立在线胀系数测定仪的金属圆筒中，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 n₁，记录初温t₁，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n₂，并记下t₂。

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大学物理仿真实验

    

            院系名称：   信息科学与工程学院                   

            专业班级：   电信1001                         

            姓    名：   张振斌                               

            学    号：   201046830217                         

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大学物理仿真实验

    

                    

 年     月      日

实验项目名称：固体热膨胀系数测量

一、实验目的

1.  掌握测量固体线热膨胀系数的基本原理。

2.  掌握大学物理仿真实验软件的基本操作方法。

3.  测量铜棒的线热膨胀系数。

4.  学会用图解图示法处理实验数据。

二、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 L,由初温t1加热至末温 t2，物体伸长了 △L,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al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所引起的物体体积的相对变化，用av表示。即

    一般情况下，固体的体胀系数av为其线胀系数的3倍，即 av=3al，利用已知的av和△T，我们可测出液体的体胀系数av。

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。

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沈阳城市学院

物理实验报告

物理实验室制

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大学物理仿真实验

    

                    

20##年    12月 26    日

实验项目名称：固体热膨胀系数测量

一、实验目的

1.  掌握测量固体线热膨胀系数的基本原理。

2.  掌握大学物理仿真实验软件的基本操作方法。

3.  测量铜棒的线热膨胀系数。

4.  学会用图解图示法处理实验数据。

二、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 L,由初温t1加热至末温 t2，物体伸长了 △L,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al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所引起的物体体积的相对变化，用av表示。即

    一般情况下，固体的体胀系数av为其线胀系数的3倍，即 av=3al，利用已知的av和△T，我们可测出液体的体胀系数av。

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。

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