固体热膨胀系数的测量

大学物理仿真实验

固体热膨胀系数的测量

验项目名称：固体热膨胀系数的测量

一、实验目的

热膨胀系数的测量在工程技术中是非常重要的，本实验的目的主要是测定金属棒的线胀系数，并学习一种测量微小长度的方法。

二、实验原理

固体的线膨胀系数和体膨胀系数是固体热学特性的重要参数，通常体膨胀系数是线膨胀系数的3倍左右，本实验主要介绍固体线膨胀系数的测量方法。

线膨胀是指材料在受热膨胀时，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

()

1

2

t

t

L

L-

=

∆α

()

1

2

t

t

L

L

-

∆

=

α

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△L 时，从望远镜中叉丝所对标尺刻度前后为b 1、b 2，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

l L D b b ∆=-212⇒()D

l b b L 212-=∆()()k DL

l t t DL b b l 221212=--=α

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（抓图1）

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（抓图2）

5、单击卷尺，分别测量l 、D ，（抓图3

）

物体原长为L=52.00cm

直尺到平面镜的距离D=196.92-8.38=188.54cm

距离l=6.18cm

6、以t 为横轴，b 为纵轴作b -t 关系曲线，求直线斜率k （抓图4）

K=0.329（mm/°C ）

7、代入公式计算线膨胀系数值

()()k DL

l t t DL b b l 221212=--=α

=1.28*10-5/°C

五、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，对于同一种材料如果温度的范围变化过大线膨胀系数是不同的，但在温度变化不大的范围内，线膨胀系数仍然是一个常量。

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：可以通过直接测量在不同温度下单摆震动周期的微小变化量，再通过公式间接换算出该摆杆材料的线膨胀系数。

3．引起α测量误差的主要因素是什么？

答：在加热的过程中铜棒的受热不均，温度在不停的变化，在某个时间点的数值可能有浮动，才使得造成α的误差