Pasco固体线膨胀系数的测量1

固体线膨胀系数的测量

丁铮莹2011329700220 陈昊政 2011329700217

任何物体都具有“热胀冷缩”的特性，这个特性在工程设计、精密仪器设计、材料的焊接和加工中都必须加以考虑。在一维情况下，固体材料受热后长度的增加称为线膨胀。传统的测量方法主要有光杆法和螺旋测微法，测量过程比较繁琐，测量误差也比较大。本实验利用温度传感器、旋转移动传感器、数据采集接口器和计算机构成的实验系统，对材料的线膨胀系数进行分析和测量。

实验目的

1．了解物体“热胀冷缩”的程度和特性，绘制材料“伸长量—时间”、“温度—时间”曲线变化量。

2．学习用计算机控制对固体线膨胀系数的实时测量技术。

实验仪器

计算机，数据采集接口器，PASCO物理实验组合仪。

实验原理

在相同的条件下，不同的材料，其线膨胀的程度各不相同。我们用线膨胀系数来表达材料的这种性质和差别。测定材料的线膨胀系数，实际上归结为测量在某一温度范围内材料的微小伸长量。

实验表明，在一定温度范围内，原长度为L的固体受热后，其相对伸长量L/

∆正比于温度的变化量∆t，即：

L

∆=α∆t (1)

L/

L

式中α称为固体的线膨胀系数。不同材料具有不同的线膨胀系数，塑料的线膨胀系数最大，金属次之，熔凝石英的线膨胀系数很小。在一般情况下，在温度变化不大的范围内，对于一种确定的固体材料，可认为线膨胀系数是一个具有确定值的常数。

对于杆状或棒状的固体材料，由式（1）可知，在温度变化∆t时，测量出材料长度变化的增量∆L，则该材料在温度变化区域内的线膨胀系数为：

α=L

∆∆t (2)

L/

α的物理意义：棒状材料在温度变化区域内，温度每升高一度时的相对伸长量，

单位是C0/1。严格地讲，求出的α是温度变化∆t区域内的平均线膨胀系数。

实验利用沸腾的水蒸气来加热待测金属杆，并保持末温度不变。采用温度传感器自动读取待测金属杆的温度变化量∆t，旋转移动传感器自动测量棒状物体的伸长量∆L，根据式（2）便可求得待测金属杆的线膨胀系数。

主要步骤

1．测量出待测金属杆在室温下的原长记为L。按实验装置图所示，安装实验装置（TD-8579）

2．将旋转移动传感器（CI-6538）和温度传感器（CI-6527A）的输入插头分别接入数据采集接口器相应的通道。打开科学工作室默认窗口界面，选择“转动传感器”（旋转移动传感器（CI-6538））和“热敏电阻传感器”，校准传感器工作参数。

3．打开“图形显示”窗口，在同一个图表中建立两个坐标系。其中一个坐标系的纵坐标设为温度变化量∆t，用于显示温度变化量随时间变化的曲线。另一坐标系的纵坐标设为待测金属杆的伸长量∆L，用于显示待测金属杆的伸长量随时间变化的曲线。

4．接通水蒸气锅（TD-8556A）的电源，开始对水加热。待水沸腾后，把金属杆进气橡皮管接到水蒸气锅的出气端口，用水蒸气加热待测金属杆，点击“启动”图标开始采集测量数据。

5．在两个坐标系中，测得待测金属杆的温度变化量∆t和伸长量∆L，由式（2）求出待测金属杆的线膨胀系数。

6．重复上述实验步骤，测出其他待测金属杆样品的线膨胀系数。

7．记录实验环境条件，整理好实验仪器。

实验内容

1.测量出待测金属杆在室温下的原长记为L。

2.按实验装置图所示，安装实验装置（TD-8579），安装过程中要注意：

（1）待测金属杆进气端口的卡口嵌入底座的凹槽内，以固定待测金属杆。（2）弹簧卡住待测金属杆，以确保待测金属杆和旋转移动传感器的转轴紧密接触。

（3）温度转感器和待测金属杆紧密接触，并用保温膜将它们包好。

（4）在水蒸气锅内加水至2/3处，严禁水蒸气锅无水空烧。

（5）水蒸气锅的密封盖上有两个出气孔，将其中一个用橡皮塞堵住，另一个连接橡皮管，实验时接至待测金属杆的进气端口，用于加热待测金属杆。

用水杯接在待测金属杆的出气端口，以防止水溢出到桌面上，并注意不要弯折出气软管，避免出气通道堵塞。

3.测出待测金属杆样品的线膨胀系数。

水蒸气锅数据采集接口温度传感器

旋转移动传感器保温膜待测金属杆

实验装置示意图

实验数据

铜

经测量：长度（L）：46.00cm 直径（d）：1.980mm 由图得：温度从29.6度到83.6度，变化了54.0度

角度变化了0.367弧度

a= 1.6*10^(-5)℃-1