温度测量及热传导实验报告
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三、实验小结
【体会或收获】 了解到通过实验的方法来精确测定导热系数度方法。
【实验建议】 等待系统达到稳态需要很多时间，要有足够的耐心。
四、参考文献
华中科技大学物理实验教学中心，实验 2: 温度测量及热传导，《大学物理实验(1)实验讲义》，P7， 2014-2015 年
测量次数 时间 t (s) 温度 T (℃)
1
2
3
4
5
30
60
90
120
150
66.6
66.5
66.4
66.3
66.3
【实验方法和技术】 实验仪器：
TC-3B 型导热系数测定仪，游标卡尺，环
氧盘，硅橡胶盘，圆柱体金属铝棒，塞尺等。
TC-3B 型导热系数测定仪如图 2 所示。该
仪器采用低于 36V 的隔离电压作为加热电源，
接触。当 C 盘的温度上升到高于稳态时的 T2 值若干摄氏度（例如 5℃左右）后，再将发热铝盘 A
移开，让散热铜盘 C 自然冷却。测量散热铜盘 C 的温度 T 随时间 t 的变化关系，每隔 30 秒记录
一次温度 T，直至温度到 T2 之下若干摄氏度为止。根据测量值可以计算出 C 盘散热速率 散热铜盘 C 的冷却速率测量（每隔 30 秒测一次）
线与测试支架上的三个插座连接，两个铂电阻测温传感器导线接到测试支架的切换开关上的插座
中，通过切换开关可与仪器机箱前面板上左侧的“测温传感器”插座相联。
(2) 安装待测样品： 在测试支架上，首先放置散热圆铜盘 C，再在 C 的上面放置待测样品盘 B，然后再把带发热 器的圆铝盘 A 放在盘 B 上，再调节三个螺栓，使样品盘的上下两个表面与发热铝盘 A 和散热铜盘 C 密切接触。将两个铂电阻测温传感器分别插入发热铝盘 A（上盘）和散热铜盘 C（下盘）上的小
散热盘 C
导达到稳定状态时，其温度可以代表 B 盘上、下表面的温度 T1、T2（T1 >
T2）。在待测样品盘 B 内，若热传导方向垂直于上、下表面，两表面彼此间相距为 hB，表面积均为
S。则当热传导达到稳定状态时，T1 和 T2 的值不变。根据傅里叶热传导定律，在 t 时间内通过 B 盘
的热量 Q 满足下述表达式：
下，由于温差引起的热量的传递过程。从微观机制上，热传导中的热量传递是依靠原子、分子围 绕平衡位置的振动，以及自由电子的迁移来实现的。金属中的热传导是以自由电子起支配作用， 而绝缘体和大部分半导体中，热传导则是以晶格振动起主导作用。
【实验目的】 1. 了解热传导现象的物理过程，深刻了解物体散热速率和传热速率的关系。 2. 学会用铂电阻型传感器进行温度测量和定标。 3. 学习和掌握利用稳态法测量材料导热系数的实验方法。 4. 分析利用稳态法测定良导体、空气和液体导热系数存在的缺点，提出实验改进方法。
Байду номын сангаас
然冷却。观察它的温度 T 随时间 t 变化情况，并由此求出 C 盘在 T2 的冷却速率 C 的散热速率与其冷却速率的关系为：
。散热铜盘
(4) 式中，m 是散热铜盘的质量，c 是散热铜盘的比热。
特别注意：这样由式(4)求出的 是 C 盘的全部表面暴露于空气中的冷却速率，其散热的表
面积为
。然而，在观察测试样品的稳态传热时，C 盘的上表面是被样品覆盖着
可以从仪器的数字表上方便地读取上、下盘的温度值。仪器的数字计时装置，计时范围 166min，
分辨率 0.1s，供实验计时用。仪器还设置了 PID 自动温度控制装置，控制精度 1℃，分辨率 0.1℃，
供实验时控制加热温度用。
【实验结果的分析和结论】 根据实验数据，计算散热铜盘 C 稳态时在 T2 附近的冷却速率。计算出样品材料的导热系数，求出 不确定度，并写出结果表达式。
(1)
式中， 为热流量； 即为该物质的导热系数（亦称作热导率）。 若将样品盘 B 做成圆盘，其半径为 R，由式(1)可以知道，单位时间内通过待测样品 B 任一圆
截面的热流量为：
(2) 当热传导达到稳定状态时，通过 B 盘上表面的热流量与由散热铜盘 C 向周围环境散热的速率 相等，即
(3)
这样，便可以通过 C 盘在稳定温度 T2 时的散热速率来求得热流量 。因此，在实际的实验测量 中，可以在读得稳态时的 T1 和 T2 后，便将 B 盘移去，而使发热铝盘 A 的底面与散热铜盘 C 直接 接触。当盘 C 的温度上升到高于稳态时值若干摄氏度后，再将发热铝盘 A 移开，让散热铜盘 C 自
图 2 TC-3B 型稳态法固体导热系数测定仪
加热圆筒内的铂电阻温度传感器作为系统控温和上盘温度检测之用（出厂时已安装）。另两个铂
电阻温度传感器分别插入散热铜盘 C（下盘）或发热铝盘 A（上盘）的侧面小孔内。铂电阻的温
度传感器插入时，其表面要涂抹少量的硅脂，两个铂电阻温度传感器的接线端与切换开关相连，
安全可靠。整个加热圆筒可上下升降和左右转动，
发热铝盘 A 和散热铜盘 C 的侧面各有一小孔，
作为插入铂电阻温度传感器之用。散热铜盘 C
放在可以调节的三个螺栓（接触点隔热）上，可
使待测样品盘的上下两个表面与发热铝盘和散
热铜盘紧密接触，散热铜盘 C 下方有一个轴流 式风扇，在需要快速降温时用来强制散热。插在
(2) 用游标卡尺测量散热铜盘 C 的直径和厚度，各测 5 次。
散热铜盘和硅橡胶盘的几何参数（散热铜盘 C 的质量 m = 654
测量次数
1
2
3
4
散热铜盘 C
dC(cm) hC(cm)
9.840 0.980
9.842 0.990
9.840 0.982
9.840 0.980
g) 5
9.838 0.976
的。根据物体的冷却速率与它的表面积成正比的原理，这部分面积在计算时应予以扣除。那么稳 态时 C 盘的散热速率的实际表达式应做如下修正：
(5) 将式(5)代入式(2)，即可得到待测样品的导热系数：
【实验内容】
1. 散热铜盘 C 和待测样品 B 的直径、厚度和质量等参数的测量
(1) 用游标卡尺测量待测样品直径和厚度，各测 5 次。
样品盘 B
dB(cm) hB(cm)
9.950 0.900
9.960 0.900
9.956 0.880
9.954 0.890
9.942 0.891
散热铜盘和圆柱体金属铝棒的几何参数
测量次数
1
2
3
4
5
散热铜盘 C 样品盘 B
dC(cm) hC(cm) dB(cm) hB(cm)
9.840 0.980 3.000 7.000
说明：本实验中，求不确定度时，质量测量误差可忽略，只考虑冷却速率的误差。 冷却速率 Q/t=0.0025 度／秒
由
硅橡胶盘导热系数=0.03 圆柱体金属铝棒导热系数=5.5
得，
U(������1)= U(������2)= 【实验遇到的问题及解决的方法】
1. 集成温度传感器插入发热铝盘 A 和散热铜盘 C 侧面的小孔时应在温度传感器头部涂上导热 硅脂，并插到孔洞底部，避免因传感器接触不良，造成温度测量不准。
硅橡胶盘的稳态过程记录
测量次数
1
2
3
平均
T1(℃) T2(℃)
58.2
58.1
58.3
58.2
44.3
44.4
44.4
44.4
圆柱体金属铝棒的稳态过程记录
测量次数
1
2
3
平均
T1(℃)
58.8
58.9
58.9
58.2
T2(℃)
52.2
52.2
52.3
52.2
(5) 散热速率的测量：
在读得稳态时的 T1、T2 后，即可将 B 盘移去，而使发热铝盘 A 的底面与散热铜盘 C 直接
2. 实验中，抽出被测样品时，应先旋松加热圆筒上端的固定螺钉。样品取出后，小心将加热 圆筒降下，使发热铝盘 A 与散热铜盘 C 紧密接触，重新拧紧固定螺钉。
4. 实验前，要标定一下两测温传感器的读数，若不一致，要进行修正。 5. 用稳态法测量导热系数时，要使温度稳定下来，大约需要半个小时左右。待 T2 的数值在数 分钟内不变时，即可认为已达到稳定状态。
温度测量及热传导
摘 要 ： 某种物体的导热系数不仅与构成物体的物质种类密切相关，还与它的微观结构、温度、压 力、湿度及杂质含量相联系。在科学实验和工程设计中，往往需要了解所用物体的一些热物理性 质，而导热系数就是重要指标之一，可以通过实验的方法来精确测定。 关键词：温度 热传导 导热系数
一、引言
【实验背景】 热传导是热量传递的三种基本形式之一，是指物体的各部分之间在不发生相对宏观位移情况
二、实验内容与数据处理
【实验原理】
图 1 为稳态平板法测量物体导热系数的原理示意。其中，A 为发热铝 盘，C 为散热铜盘，均由热的良导体制成。B 为待测样品盘。在测量时， 发热铝盘 A 首先将热量传递到待测物体样品盘 B，再传到散热铜盘 C。由
发热盘 A 热
流 样品盘 B
于 A、C 盘是用热的良导体制成，与待测样品盘 B 紧密接触，所以当热传
孔中。
(3) 设置加热的上限温度： 接通电源，在“温度控制”仪表上设置加热的上限温度 60℃。 (4) 测量稳态温度：
打开加热开关，每隔 2 分钟测量和记录散热铜盘 C 的温度。当发热铝盘 A、散热铜盘 C 的温 度不再上升或变化趋缓时（该加热过程大约需要 35 分钟左右时间），说明系统己经达到或趋近稳 态。此后，每隔 5 分钟测量并记录 T1 和 T2 的值，直至 T1 和 T2 达到稳态。
9.842 0.990 3.000 7.000
9.840 0.982 3.002 7.000
9.840 0.980 3.002 7.000
9.838 0.976 2.996 7.000
2. 固体材料（硅橡胶盘和圆柱体金属铝棒）导热系数的测量
(1) 连接导线：
根据仪器机箱后部指示牌所指示内容（温度传感器、加热电源、风扇电源），用三根专用导
【体会或收获】 了解到通过实验的方法来精确测定导热系数度方法。
【实验建议】 等待系统达到稳态需要很多时间，要有足够的耐心。
四、参考文献
华中科技大学物理实验教学中心，实验 2: 温度测量及热传导，《大学物理实验(1)实验讲义》，P7， 2014-2015 年
测量次数 时间 t (s) 温度 T (℃)
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【实验方法和技术】 实验仪器：
TC-3B 型导热系数测定仪，游标卡尺，环
氧盘，硅橡胶盘，圆柱体金属铝棒，塞尺等。
TC-3B 型导热系数测定仪如图 2 所示。该
仪器采用低于 36V 的隔离电压作为加热电源，
接触。当 C 盘的温度上升到高于稳态时的 T2 值若干摄氏度（例如 5℃左右）后，再将发热铝盘 A
移开，让散热铜盘 C 自然冷却。测量散热铜盘 C 的温度 T 随时间 t 的变化关系，每隔 30 秒记录
一次温度 T，直至温度到 T2 之下若干摄氏度为止。根据测量值可以计算出 C 盘散热速率 散热铜盘 C 的冷却速率测量（每隔 30 秒测一次）
线与测试支架上的三个插座连接，两个铂电阻测温传感器导线接到测试支架的切换开关上的插座
中，通过切换开关可与仪器机箱前面板上左侧的“测温传感器”插座相联。
(2) 安装待测样品： 在测试支架上，首先放置散热圆铜盘 C，再在 C 的上面放置待测样品盘 B，然后再把带发热 器的圆铝盘 A 放在盘 B 上，再调节三个螺栓，使样品盘的上下两个表面与发热铝盘 A 和散热铜盘 C 密切接触。将两个铂电阻测温传感器分别插入发热铝盘 A（上盘）和散热铜盘 C（下盘）上的小
散热盘 C
导达到稳定状态时，其温度可以代表 B 盘上、下表面的温度 T1、T2（T1 >
T2）。在待测样品盘 B 内，若热传导方向垂直于上、下表面，两表面彼此间相距为 hB，表面积均为
S。则当热传导达到稳定状态时，T1 和 T2 的值不变。根据傅里叶热传导定律，在 t 时间内通过 B 盘
的热量 Q 满足下述表达式：
下，由于温差引起的热量的传递过程。从微观机制上，热传导中的热量传递是依靠原子、分子围 绕平衡位置的振动，以及自由电子的迁移来实现的。金属中的热传导是以自由电子起支配作用， 而绝缘体和大部分半导体中，热传导则是以晶格振动起主导作用。
【实验目的】 1. 了解热传导现象的物理过程，深刻了解物体散热速率和传热速率的关系。 2. 学会用铂电阻型传感器进行温度测量和定标。 3. 学习和掌握利用稳态法测量材料导热系数的实验方法。 4. 分析利用稳态法测定良导体、空气和液体导热系数存在的缺点，提出实验改进方法。
Байду номын сангаас
然冷却。观察它的温度 T 随时间 t 变化情况，并由此求出 C 盘在 T2 的冷却速率 C 的散热速率与其冷却速率的关系为：
。散热铜盘
(4) 式中，m 是散热铜盘的质量，c 是散热铜盘的比热。
特别注意：这样由式(4)求出的 是 C 盘的全部表面暴露于空气中的冷却速率，其散热的表
面积为
。然而，在观察测试样品的稳态传热时，C 盘的上表面是被样品覆盖着
可以从仪器的数字表上方便地读取上、下盘的温度值。仪器的数字计时装置，计时范围 166min，
分辨率 0.1s，供实验计时用。仪器还设置了 PID 自动温度控制装置，控制精度 1℃，分辨率 0.1℃，
供实验时控制加热温度用。
【实验结果的分析和结论】 根据实验数据，计算散热铜盘 C 稳态时在 T2 附近的冷却速率。计算出样品材料的导热系数，求出 不确定度，并写出结果表达式。
(1)
式中， 为热流量； 即为该物质的导热系数（亦称作热导率）。 若将样品盘 B 做成圆盘，其半径为 R，由式(1)可以知道，单位时间内通过待测样品 B 任一圆
截面的热流量为：
(2) 当热传导达到稳定状态时，通过 B 盘上表面的热流量与由散热铜盘 C 向周围环境散热的速率 相等，即
(3)
这样，便可以通过 C 盘在稳定温度 T2 时的散热速率来求得热流量 。因此，在实际的实验测量 中，可以在读得稳态时的 T1 和 T2 后，便将 B 盘移去，而使发热铝盘 A 的底面与散热铜盘 C 直接 接触。当盘 C 的温度上升到高于稳态时值若干摄氏度后，再将发热铝盘 A 移开，让散热铜盘 C 自
图 2 TC-3B 型稳态法固体导热系数测定仪
加热圆筒内的铂电阻温度传感器作为系统控温和上盘温度检测之用（出厂时已安装）。另两个铂
电阻温度传感器分别插入散热铜盘 C（下盘）或发热铝盘 A（上盘）的侧面小孔内。铂电阻的温
度传感器插入时，其表面要涂抹少量的硅脂，两个铂电阻温度传感器的接线端与切换开关相连，
安全可靠。整个加热圆筒可上下升降和左右转动，
发热铝盘 A 和散热铜盘 C 的侧面各有一小孔，
作为插入铂电阻温度传感器之用。散热铜盘 C
放在可以调节的三个螺栓（接触点隔热）上，可
使待测样品盘的上下两个表面与发热铝盘和散
热铜盘紧密接触，散热铜盘 C 下方有一个轴流 式风扇，在需要快速降温时用来强制散热。插在
(2) 用游标卡尺测量散热铜盘 C 的直径和厚度，各测 5 次。
散热铜盘和硅橡胶盘的几何参数（散热铜盘 C 的质量 m = 654
测量次数
1
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散热铜盘 C
dC(cm) hC(cm)
9.840 0.980
9.842 0.990
9.840 0.982
9.840 0.980
g) 5
9.838 0.976
的。根据物体的冷却速率与它的表面积成正比的原理，这部分面积在计算时应予以扣除。那么稳 态时 C 盘的散热速率的实际表达式应做如下修正：
(5) 将式(5)代入式(2)，即可得到待测样品的导热系数：
【实验内容】
1. 散热铜盘 C 和待测样品 B 的直径、厚度和质量等参数的测量
(1) 用游标卡尺测量待测样品直径和厚度，各测 5 次。
样品盘 B
dB(cm) hB(cm)
9.950 0.900
9.960 0.900
9.956 0.880
9.954 0.890
9.942 0.891
散热铜盘和圆柱体金属铝棒的几何参数
测量次数
1
2
3
4
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散热铜盘 C 样品盘 B
dC(cm) hC(cm) dB(cm) hB(cm)
9.840 0.980 3.000 7.000
说明：本实验中，求不确定度时，质量测量误差可忽略，只考虑冷却速率的误差。 冷却速率 Q/t=0.0025 度／秒
由
硅橡胶盘导热系数=0.03 圆柱体金属铝棒导热系数=5.5
得，
U(������1)= U(������2)= 【实验遇到的问题及解决的方法】
1. 集成温度传感器插入发热铝盘 A 和散热铜盘 C 侧面的小孔时应在温度传感器头部涂上导热 硅脂，并插到孔洞底部，避免因传感器接触不良，造成温度测量不准。
硅橡胶盘的稳态过程记录
测量次数
1
2
3
平均
T1(℃) T2(℃)
58.2
58.1
58.3
58.2
44.3
44.4
44.4
44.4
圆柱体金属铝棒的稳态过程记录
测量次数
1
2
3
平均
T1(℃)
58.8
58.9
58.9
58.2
T2(℃)
52.2
52.2
52.3
52.2
(5) 散热速率的测量：
在读得稳态时的 T1、T2 后，即可将 B 盘移去，而使发热铝盘 A 的底面与散热铜盘 C 直接
2. 实验中，抽出被测样品时，应先旋松加热圆筒上端的固定螺钉。样品取出后，小心将加热 圆筒降下，使发热铝盘 A 与散热铜盘 C 紧密接触，重新拧紧固定螺钉。
4. 实验前，要标定一下两测温传感器的读数，若不一致，要进行修正。 5. 用稳态法测量导热系数时，要使温度稳定下来，大约需要半个小时左右。待 T2 的数值在数 分钟内不变时，即可认为已达到稳定状态。
温度测量及热传导
摘 要 ： 某种物体的导热系数不仅与构成物体的物质种类密切相关，还与它的微观结构、温度、压 力、湿度及杂质含量相联系。在科学实验和工程设计中，往往需要了解所用物体的一些热物理性 质，而导热系数就是重要指标之一，可以通过实验的方法来精确测定。 关键词：温度 热传导 导热系数
一、引言
【实验背景】 热传导是热量传递的三种基本形式之一，是指物体的各部分之间在不发生相对宏观位移情况
二、实验内容与数据处理
【实验原理】
图 1 为稳态平板法测量物体导热系数的原理示意。其中，A 为发热铝 盘，C 为散热铜盘，均由热的良导体制成。B 为待测样品盘。在测量时， 发热铝盘 A 首先将热量传递到待测物体样品盘 B，再传到散热铜盘 C。由
发热盘 A 热
流 样品盘 B
于 A、C 盘是用热的良导体制成，与待测样品盘 B 紧密接触，所以当热传
孔中。
(3) 设置加热的上限温度： 接通电源，在“温度控制”仪表上设置加热的上限温度 60℃。 (4) 测量稳态温度：
打开加热开关，每隔 2 分钟测量和记录散热铜盘 C 的温度。当发热铝盘 A、散热铜盘 C 的温 度不再上升或变化趋缓时（该加热过程大约需要 35 分钟左右时间），说明系统己经达到或趋近稳 态。此后，每隔 5 分钟测量并记录 T1 和 T2 的值，直至 T1 和 T2 达到稳态。
9.842 0.990 3.000 7.000
9.840 0.982 3.002 7.000
9.840 0.980 3.002 7.000
9.838 0.976 2.996 7.000
2. 固体材料（硅橡胶盘和圆柱体金属铝棒）导热系数的测量
(1) 连接导线：
根据仪器机箱后部指示牌所指示内容（温度传感器、加热电源、风扇电源），用三根专用导