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固体线热膨胀系数的测定实验报告


固体线热膨胀系数的测定 【实验目的】 材料的线膨胀指的是材料受热后一维长度的伸长。 当温度升高时, 一般固体由于其原子 或分子的热运动加剧,粒子间的平均距离发生变化,温度越高,其平均距离越大,这就是固 体的热膨胀。热膨胀是物质的基本热学性质之一。物体的热膨胀不仅与物质种类有关。对金 属晶体而言,由于它们是由许多晶粒构成的,这些晶粒在空间方位上排列是无规则的,整体 表现出各相同性。它们的线膨胀在各个方向均相同。 虽然固体的热膨胀非常微小, 但使物体发生很小形变时就需要很大的应力。 在建筑工程、 机械装配、 电子工业等部门中都需要考虑固体材料的热膨胀因素。 因此固体线胀系数是选择 材料的一项重要指标,测定固体的线膨胀系数具有重要的实际意义。 1. 掌握测量固体线热膨胀系数的基本原理。测量铁、铜、铝棒的线热膨胀系数。 2. 学会使用千分表,掌握温度控制仪的操作。 3. 学习图解图示法处理实验数据。 【实验原理】 设 为物体在温度 时的长度,则该物体在 时的长度 可由下式表示: (1) 其中, 为该物体的线膨胀系数,在温度变化不大时, 可视为常数。将式(23-1)改写为:

(2) 可见, 单位为: 的物理意义为:温度每升高 或 。 及 时的长度 及 ,设 是常量,则有: 时物体的伸长量 与它在 时的长度之比,

实际测量中,一般只能测得材料在温度

(3) 由式 (6)即可求得物体在温度 之间的平均线膨胀系数。其

中,微小长度变化量可直接用千分表测量。本实验对金属铁、铜、 铝进行测量求出不同金属的线膨胀系数。 【实验仪器】 FD-LEA 固体线热膨胀系数测定仪(一套) 、 (电加热箱、千分 表、温控仪)金属棒、电源线、加热线、传感器及电缆 仪器介绍 1.千分表是一种测定微小长度变化量的仪表, 其外形结构如图

1 所示。外套管G用以固定仪表本身;测量杆M被压缩 针P则转过一周,表盘上每周等分

时,指针H转过一格。而指

小格,每小格即代表 0.001mm,

千分表亦由此得名。 图 1 千分表 2.FD-LEA 固体线热膨胀系数测定仪由电加热箱和温控仪两部分组成。其中电加热箱 结构见图 2,

图 2 ?电加热箱 1.托架 2.隔热盘 A 3.隔热顶尖 4.导热衬托 A 5.加热器 ?6.导热均匀管 7.导向块 8.被测材料 9.隔热罩 10.温度传感器? 11.导热衬托 B? 12.隔热棒 13.隔热盘 B 14.固定架 15.千分表 16.支撑螺钉 17.坚固螺钉 3.温控仪面板结构

图 3 ?温控仪面板 4. 温控仪的操作方法 (1) 打开温控仪电源开关,面板数字显示为 FdHc,表示生产公司产品的符号。随即 自动转向 A× × .× ,表示当时传感器温度。b= =.=表示等待设定温度。 (2) 按升温键,数字即由零逐渐增大至所需的设定值,最高可选 80.0℃。 (3)如果数字显示值高于所需要的温度值,可按降温键,直至所需要的设定值。 (4)当数字设定值达到所需的值时,即可按确定键,开始对样品加热,同时指示灯亮, 发光频闪与加热速率成正比。 (5)确定键的另一用途可作选择键,可选择观察当时的温度值和先前设定值。

(6)如果需要改变设定值可按复位键,重新设置。 温控仪的主要技术参数: (1)温控仪的仪表读数分辨率:± 0.1℃; (2)温度控制分辨率:样品加热炉内空间温度达到平衡时,温度不均匀性≤0.3℃; (3)温度控制范围:室温至 80℃; (4)伸长量测量分辨率:0.001mm,最大测量范围为 0-1mm; (5)被测金属样品为直径 8mm,长为 400mm 的圆棒。 【实验步骤】 1. 仪器的安装和调试 (1)接通电加热器与温控仪输入输出接口和温度传感器的插头; (2)旋松千分表固定架螺栓,转动固定架至使被测样品(Ф8×400mm 金属棒)能插入紫 铜管内,再插入隔热棒(不锈钢)用力压紧后转动固定架; (3)把安装千分表安装在固定架上,并且扭紧螺栓,不使千分表转动,在安装千分表 时注意被测物体与千分表测量头保持在同一直线 ;再向前移动固定架,使千分表读数值在 0.2—0.4mm处,固定架给予固定。 2. 数据测量 稍用力压一下千分表测量端, 使千分表测量头能与隔热棒有良好的接触, 再转动千分表 圆盘,使指针指向零。接通温控仪的电源,设定需加热的值,一般可分别设定温度为 40.0℃、 50.0℃、60.0℃、70.0℃,按确定键开始加热,同时记下显示的温度值,即为初始温度值。当 温控仪的显示值上升到大于设定值,电脑将自动控制温度到设定值 (正常情况下在± 0.3℃左 右波动三次以上后,可认为金属棒的温度达到了设定值),分别记录每个温度对应的千分表 读数 、 、 、 .

3. 旋转千分表固定架螺栓,调整固定架位置,更换金属棒。重复以上实验过程,将不 同金属棒在设定温度范围内的伸长量记录在表1中。 【数据记录及处理】 表 1. 不同设定温度下千分尺的读数 温度℃ 铁棒 千分表 读数 铜棒 △L 铝棒 L=400 mm ℃ 初始温度 T1 40.0 50.0 60.0 70.0

1. 计算三种金属线膨胀系数并写出结果表达式:

2. 在同一平面直角坐标系中用作图法分别表示出铁棒、铜棒、铝棒受热后伸长量与其 温度增加量之间的函数关系。以 T 为横轴,△L/L 为纵轴,用所测得数据在坐标系中描点,作

直线,使同种材料测得的数据点尽量靠近所作直线。 3. 分别计算并比较铁棒、铜棒、铝棒的 值。即所作直线的斜率,任取直线上两点进 行计算。并将测量值分别与各自的理论值相比较。

4. 计算每种金属线热膨胀系数的百分差

,并进行误差分析。

【注意事项】 1.实验中仪器整体要求平稳,因被测物体伸长量极小,故仪器不应有振动;读数时不要 挤压桌面。 2.千分表安装须适当固定且与隔热棒有良好的接触(读数在 0.2—0.4mm处较为适宜), 然后再转动表壳校零. 3.样品两端不得有污垢,安装样品应稳妥; 4.被测物体与千分表探头的高度需保持在同一直线。 附表 1 固体的线热膨胀系数理论值 温度范围(0-100℃)?? 单位:℃ 铝:23.8× 10 ; 铜:17.1× 10 ; 铁:12.2× 10 .


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