实验项目名称：固体热膨胀系数测量

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

各种材料热膨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膨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

                    （1）

α₁=△L ／L(t₂-t₁)               （2）

2.   线胀系数测量

     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

           (3)

          (4)

放大公式的推导参看第一册实验5.3.1

图1.2.1---1   光杠杆原理图

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

线膨胀系数的测定

（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书n₁,记录初温t₁, 蒸汽进去金属筒后，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。

（3）如果线胀仪采用电加热，测量课从室温开始，每间隔10℃记一次t和n的值，直到t达90℃。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松压出三个足尖印痕，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，n为纵坐标做出n–t关系曲线，求直线斜率K,并由此计算α₁ 。

（6）  用最小二乘发求直线斜率K，并计算α₁的标注误差

五、实验数据记录与处理

测得光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=50.71cm

根据公式 α₁=Nb／2DL△t

得  α₁=  1.22×10^-5(℃^-1)     

六、思考题

1．  对于一种材料来说，线胀系数是否一定是一个常数？为什么？

   答： 不是，因为同一材料在不同的温度区域，其线性膨胀系数是不同的。

2．  你还能想出一种测微小长度的方法，从而测出线胀系数吗？

   答：可以采用光学干涉法来测量线膨胀系数。

3.引起测量误差的主要因素是什么？

答：①仪器的精准度不够；②实验环境的影响；③测量物体的材料不纯净等。

第二篇：仿真实验报告-固体线膨胀系数的测量

大学物理仿真实验报告

固体线膨胀系数的测量

院系名称：  信息科学与工程                      

专业班级：  电信1006                         

姓    名：    和                           

学    号：  201046831114                         

固体线膨胀系数的测量

一、实验目的

1、知道分光计结构及使用方法，会调望远镜光轴垂直仪器；

2、了解研究和测量热膨胀系数的意义及其应用。

3、学习用光杠杆法测量微小长度变化，会测定金属棒的线胀系数；

二、实验原理

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，设物体加热后，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所引起的物体体积的相对变化，。一般情况下，固体的体胀系数 为其线胀系数的3倍，本实验主要介绍固体线膨胀系数的测量方法。

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，则线膨胀系数满足：

即

上式中△L是个极小的量，我们采用光杠杆测量。

光杠杆法测量△L ，如下图（见教材杨氏模量原理）

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

则固体线膨胀系数为：

三、实验仪器

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。

四、实验内容及步骤

1、在实验界面单击右键选择“开始实验”

2、调节平面镜至竖直状态

3、打开望远镜视野，并调节方位、聚焦、目镜使得标尺刻线清晰，且中央叉丝读数为0.0mm

 

4、单击铜棒测量长度，单击温度计显示铜棒温度，打开电源加热，记录每升高10度时标尺读数直至温度升高到90度止

5、单击卷尺，分别测量l、D 

6、以t为横轴，b为纵轴作b-t关系曲线，求直线斜率k

五、实验数据记录与处理

b随t的变化表

由图知：K=0.376 mm/°C   

得到固体线膨胀系数为1.25×10 ^-5

六、思考题

1．  对于一种材料来说，线胀系数是否一定是一个常数？为什么？

答：不是；同种材料在不同的温度区域线胀系数不同，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。

2．  你还能想出一种测微小长度的方法，从而测出线胀系数吗？

答：能，比如：可以使用用分光计测量。

3．    引起测量误差的主要因素是什么？

答：大部分是由机械，仪器等因素引起的系统误差。