第二篇：金属的线膨胀系数测量与分析

金属线膨胀系数的测量与分析

   

摘要：本实验利用热传导综合实验仪，设计实验测量铜棒的线膨胀系数。本文通过对数据进行处理、分析从而总结了实验过程中出现的问题并进行了深入的探讨，进而提出了实验的改进方法。

关键词：金属线膨胀系数；分析与改进；遇热膨胀；温度延迟

The way of measuring linear expansibility and experience analysis

Abstract:Based on comprehensive experimental apparatus, the design of heat transfer coefficient of linear expansion of brass experiment measurements. The experiment based on data processing and analysis are summarized and the problems appeared in the process of experiment, and discussed the experiment, which puts forward improving methods.

Key words: Metal’s linear expansibility; Thermal expansion; Analysis and improvement; the Delay of temperature   

1. 引言

金属线膨胀系数测定的基本思想是金属有遇热膨胀的性质，金属温度变化时其长度改变量为。通过实验探讨两者之间的正相关关系，从而得出金属线膨胀系数。虽然金属的线膨胀量非常微小，但它却能产生很强的应力，因此在建筑工程、物理测绘方面有着重要的应用。

2. 金属线膨胀系数的设计与实现

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 运用YJ-RZ-4A热传导综合实验仪、游标卡尺、千分尺及铜金属棒来实现金属线膨胀系数的测量。

2.1 金属线膨胀系数的测量依据

因为金属的体积一般随温度的升高而增大，当温度升高时，金属内原子与自由电子的热运动加剧，粒子间的平均距离发生变化，温度越高其平均距离越大。假设温度变化时其长度改变量为，在一定温度范围内与成正比，即:  

                                                (1)

得出金属的线膨胀系数:

                                                    (2)

其中温度由YJ-RZ-4A热传导综合实验仪测定，则由千分表读出。

2.2 金属线膨胀系数的设计方法

 在室温下用游标卡尺测出铜金属棒的原长，然后将其插入到加热盘中，安装好千分表并使之有一定的刻度值，记下此时的千分表读数。

 打开YJ-RZ-4A热传导综合实验仪记下加热盘的初始温度，将温度设定设为105.0℃（不同实验有所不同），仔细观察千分表的变化并每隔一定温度记下此时千分表的值。得出千分表数值变化的拐点，记下此时铜棒的温度及相应的千分表的值。然后重新调节温度旋钮，将温度设定设为比此温度高5.0℃，达到后每隔5.0℃设定一次，同时记下千分表的值。

3. 数据处理及实验分析

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 根据数据处理得出的结果，本文对其中的产生问题进行了详细的分析，为实验的改进提供了依据。

3.1 数据记录及处理

 实验开始加热时千分表的读数一直减少，当加热到温度约为93. ℃4时千分表的读数出现反弹，此后读数逐渐增大。

数据记录如下表：

表（1） 千分表读数降低表

表（2） 千分表读数升高表

图（1）铜棒长度与温度变化的关系

经计算得

3.2. 实验的分析及改进

 在安装千分表时，要使千分表有一定的初值，这样可以让铜金属棒与千分表接触紧密，只要铜金属棒的长度稍有改变就立刻能够在千分表中反映出来。

 在初始加热的过程中，千分表的读数不但没有上升反而降低，但是温度在达到约92.4℃时出现反弹。究其原因：在初始加热的过程中，木垫板的膨胀增量大于待测铜金属棒的膨胀增量，致使千分表的读数不升反降。当温度升高到一定程度后，木垫板可能不再膨胀而铜金属棒继续膨胀或者时此时木垫板的膨胀增量小于铜金属棒的膨胀增量从而使千分表的读数逐渐升高。

 在加热过程中会有温度延迟的现象，即达到温度设定值到温度的稳定还需要一定的时间。因此我们可以采用分小段来设定温度即每隔5℃设定一个温度值，待其达到温度值并且稳定后再在原温度上增加5℃以设定另一个温度值。

针对上述分析，我们可以从以下几个方面改进：

重视实验细节，如铜金属棒一定要适当地放入到加热盘中；实验前校准YJ-RZ-4A热传导实验综合仪；等温度稳定一段时间后在读数等。

千分表一种比较灵敏的实验仪器，外界稍有震动都可能影响到它的读数。因此做实验时一定要注意桌面的整洁及不能用手用力地去压桌面。

实验可以尽量的选取线膨胀系数小的木垫板或者可以将整个实验装置悬空设置而不需要垫板。

4. 结束语

金属线膨胀系数的设计与测定是大学物理实验中一个重要的实验，从本实验可以看出测量金属线膨胀系数时千分表的读数极易受外界的影响，因此很难准确地测出金属的线膨胀系数，只有认真的对实验的设计和误差进行分析并正确地找到改进方法才能更好地测出金属的线膨胀系数。这不仅激发了学生对物理科学实验的兴趣而且锻炼了学生分析问题并动手解决问题的能力。