干涉法测热膨胀系数
利用干涉方法测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数实验报告
4) 样品平台：光源支架底部有一圆形平台，用于放置样品或电炉， 其底部有三个脚a、b、c，高低可调，见图5中的可调节圆盘。 5) 数字式温度计：用于测量样品的温度。 6) 卷尺、直尺：测量计算楔角时的d及H。 7) 毛巾、水盆、镜头纸等。
2. 实验过程 实验1：测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数
T-降 0.99943 -2.311±0.013 83.8±0.1
加水冷却记录：
降温过程中，在时加水冷却，在~和之间各进行了一次吸水加水
的过程；降温过程中，在时加水冷却，在~之间进行了一次吸水加水
的过程；所有的加水均加到约5.5cm水深处，吸水均吸到4cm水深
处。
3) 不确定度的估计
由(7)式计算得：、；
以上停止记录。
5) 样品自然冷却过程中继续观察并记录条纹移动的级数及所对应的
温度，到达一定的温度时加入冷水加速冷却，并记录加入冷水时的
温度。（记录时的标准选取尽量相同）
6) 控制水量及加热时间与前面相同，将激光射入样品的a区使得反射
光屏上出现干涉条纹光斑，重复以上步骤记录相应的实验数据。
7) 控制实验的条件，水量、加热时间、是否自然冷却、加水冷却时
表格 4：楔角测量实验数据 项目
89.4
3.00
3.05
3.05
3.05
3.00
89.5
3.50
3.40
3.50
3.50
3.50
由单次及多次测量不确定度的关系得：
其中： (12)
对、带，到(10)中均有：； 对、有：，； 对将及带入(12)式得：，带入(11)得：； 对将及带入(12)式得：，带入(11)得：； 故对：，； 对：，。 由(4)式得：的楔角，的楔角。 利用、的不确定度取极值来计算的不确定度，从而得到的不确定度；由 不确定度的传递公式： 故：； 所以：； 综上得，
利用干涉方法测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数实验报告
光斑，用纸挡在样品玻璃B、，消失的条纹是由下
表面反射；转动样品使得A、B、C三个光斑处于同
一水平面上以保证d和H相垂直。
图6:楔角测量整体示意图 图6:楔角测量整体示意图
3) 用卷尺测量出高度H，直尺测量出d，重复调节测量5次并记录相
应的实验数据
4、 实验结果
实验1：测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数
(7)
由此计算得：、；
故：、。
，由不确定度传递公式：
(8)
(9)
由(8) (9)两式计算得：、；
故：、
第二组数据
1) 实验条件：两组实验均加入4cm水深的水，并对加热时间、自然
降温时间、总降温时间及加水降温时水的温度进行记录。
2) 线性拟合：与第一组的拟合方式相同，图像均为直线，不再列
出。拟合结果如下：
像：
图7a：T-m1升温过程拟合图像 图7a：T-m1升温过程拟合图像 图7b：T-m1降温过程拟合图像 图7b：T-m1降温过程拟合图像 图7c：T-m2升温过程拟合图像 图7c：T-m2升温过程拟合图像
图7d：T-m2降温过程拟合图像
拟合结果如下：（拟合均取之间的数据）
表格 2：第一组数据实验结果
测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数
摘要：本实验基于条纹移动数与温度的线性关系，利用激光干涉法对玻璃的热膨胀系数及折射 率温度系数进行定量测量，线性拟合后由结果分析实验所存在的系统误差，确定自然冷却降温 法为最理想的实验条件，该实验装置结构简单、调节方便、条纹移动清晰，自然降温法获得的 数据线性良好，较为准确。 关键词：热膨胀系数 折射率温度系数 激光干涉法 楔角 自然冷却
的温度等等，分析实验数据已得到较为理想的实验条件。
干涉法测量金属的热膨胀系数-讲义
干涉法测量金属的线膨胀系数固体的线膨胀是指固体受热时在某一方向上的伸长。
这种特性是工程结构设计、机械和仪表制造、材料加工中要考虑的重要 因素。
在相同条件下，不同材料的固体线膨胀的程度不同。
各种材料膨胀特性用线膨胀系数（简称线胀系数）来描述。
线胀系数是选用材料的一项重要指标，实际中经常要对材料线胀系数做测定。
对于金属材料，温度变化引起长度的微小变化比较微小,一般采用光杠杆、光的衍射法等进行精确测量。
本实验中利用干涉法测量金属棒的热膨胀系数。
一、实验目的1．观察物体线膨胀现象，学会测量金属的线胀系数. 2．掌握应用迈氏干涉仪测量物体长度微小变化的方法. 二、实验仪器SGR —1型热膨胀实验装置、游标卡尺、铜棒、铝棒. 三、工作原理在不太大的温度变化范围内，原长为l 0的物体，受热后其伸长量l ∆与其原长l 0、温度的增加量t ∆近似成正比，即0l l t α∆=⋅⋅∆ （1）式中的比例系数α 即称为线胀系数，它表示当温度升高1℃时固体的相对伸长量。
由上式可得ll tα∆=⋅∆ （2）不同材料的线胀系数不同，塑料的线胀系数最大，金属次之，石英玻璃线胀系数很小。
线胀系数是选用材料的一项重要指标。
附表中列出几种物质的线胀系数值，对应有一个温度范围。
表1 几种材料的线胀系数实验指出，同一材料在不同的温度区段，其线胀系数是不同的，但在温度变化不大的范围内，线膨胀系数近似是一个常量。
线膨胀系数的测定是人们了解材料特性的一种重要手段。
在本实验中我们用SGR-1型热膨胀实验装置测量金属棒在20℃～50℃范围内的线膨胀系数，其工作原理是基于光干涉法来进行微小长度量的测量，其光路图见图1所示。
从He-Ne 激光器出射的激光束经过分束器（半反镜）后分成两束，分别由两个反射镜：定镜和动镜反射回来，由于分束器的作用两束反射光在观察屏上会相遇并形成明暗相间的同心环状干涉条纹。
长度为l 0的待测固体试件被电热炉加热，当温度从t 0上升至t 时，试件因受热膨胀，从l 0伸长到l ，同时推动迈克耳孙干涉仪的动镜，使干涉条纹发生N 个环的变化，则l - l 0 = Δl = N2λ（3）数显温控仪扩束器观察屏分束器定镜 M 1石英垫转向镜 M 2测温探头电热炉石英管动镜试样He-Ne 激光器图1而线膨胀系数00()ll t t α∆=- （4）所以只要测出某一温度范围的固体试件的伸长量和加热前的长度，就可以测出该固体材料的线膨胀系数。
用迈克尔逊干涉仪测量金属的线胀系数
用迈克尔逊逊干涉仪测金属的线胀系数晏伟仁[1]物理与电子工程学院摘要材料热膨胀系数是材料的热物性之一[1]，是表征材料性质的重要特征量，尤其对材料在常温以上时线膨胀系数的测量在实际工程中更具有重要意义。
测量金属的线胀系数有多种不同的实验方法, 常用的是光杠杆法。
由于金属受热的膨胀过程是动态过程, 故此法需在动态过程中对多个数据同时进行观测, 易引起较大偶然误差, 影响了测量结果的精度。
采用迈克尔逊干涉法测量材料线膨胀系数和传统的顶杆法相比具有测量准确，测量分辨率高等优点。
关键词迈克尔逊干涉法; 线胀系数Abstract Material’s thermal expansion coefficient is the nature of material, it is mask material-nature’s important characteristic. Especially for material that measure the Line Coefficient of expansion of metal in reality has important applies in high temperature .Measure the Line Coefficient of expansion of metal has many different methods . In common use optical lever to measure it . Due to metal heated is a dynamic process , we should write down much record in this dynamic process，it is easy that cause big probable error , so use this method affect measuring-result’s precision . Take with Michelson laser interference to measure the Line Coefficient of Expansion of metal than optical lever moreaccurately, and has high precision and resolution.Key words Michelson interference；Line Coefficient of Expansion2011-12-27 科技创新实训作业[1] 晏伟仁。
利用干涉方法测量玻璃的热膨胀系数PPT课件
0
25.9
5
26.6
10
27.7
（1）不加水加热的实验数据 15
28.2
20
29.1
25
30
30
30.9
35
31.8
40
32.7
45
33.7
50
34.6
55
35.6
60
36.6
65
37.6
70
38.6
75
39.6
80
40.6
85
41.6
90
42.6
95
43.7
100 44.7
105 45.8
110 46.9
1 87.2 2 83 3 79 4 75 5 71.1 6 67 7 63.1 8 59 9 54.9 10 50.9 11 46.8 12 42.8 13 38.5 14 34.3
6
实验结果
• 加热：斜率为4.08，回归系数为0.99738， 计算得热膨胀系数β=7.80*10-6 K-1
• 计算得不确定度0.1*10-6K-1，所以加热测得 的热膨胀系数为（7.8±0.1）*10-6K-1
20
64.6
87
94
22
66.8
89
94.3
24
68.9
91
94.6
26
70.8
93
94.7
28
72.4
94
94.8
30
73.8
96
94.9
32
76.4
100
95.1
34
77.6
102
95.3
36
78.8
选做-干涉法测量金属的线膨胀系数剖析
选做-干涉法测量金属的线膨胀系数剖析
干涉法是一种常用的光学测量方法，可用于测量物体表面形态、薄膜厚度、光学模式等。
此外，干涉法还可以用于测量金属材料的线膨胀系数，从而剖析金属的热膨胀特性。
在测量金属的线膨胀系数时，首先需要获得金属材料的表面形态变化，利用干涉法可在金属表面上形成干涉条纹，从而反映出金属的形态变化情况。
当金属受热时，其温度升高，长度也随之增加，这种长度的增加导致光程差的改变，从而使干涉条纹发生移动。
通过测量干涉条纹移动的距离和温度变化量，就可以计算出金属的线膨胀系数。
1、实验器材
干涉仪、热源、温度计、计时器、样品支架等。
2、实验步骤
（1）在试验前将待测金属样品切割成长度为30-40 mm左右、直径为10 mm左右的细棒，并将其磨光准备好。
（2）将磨好的样品固定在样品支架上，并将支架放置在干涉仪的工作台上。
（3）调整干涉仪的镜子，使其成为一组平行光。
（4）打开热源，将其放置在待测金属样品旁边，使其加热。
（5）当待测金属样品的温度达到一定程度时，干涉条纹会出现移动，此时需使用计时器记录干涉条纹的移动时间，并使用温度计测量待测金属样品的温度。
（6）根据干涉条纹移动的距离和温度变化量，计算出金属的线膨胀系数。
金属的线膨胀系数是金属材料的基本物理参数之一，常常用于研究金属在温度变化时的形态变化和性能变化。
利用干涉法测量金属的线膨胀系数可以更加准确地研究金属的热膨胀特性，并且可以用于优化金属材料的设计和制造。
同时，干涉法还可以应用于其他领域，如测量液体的密度、薄膜厚度等。
干涉法测线膨胀系数
2、干涉法测线膨胀系数原理 反射镜M1
反射镜M2
补偿板G2 观 察 屏
分光板G1
8
2、干涉法测线膨胀系数原理 M2
M'2
M1
δ
L 光程差△=2L
△=
k (k 0，1，2,...)
干涉加强，亮纹
(2k 1) (k 0，1，2...)
2
干涉减弱，暗纹
9
2、干涉法测线膨胀系数原理
干涉条纹的变化规律
条纹冒出
L
条纹陷入
2L =kλ，L增大，k增
大，反之亦然；
条纹每冒出（或陷入）一 条，光程就改变一个波长
10
2、干涉法测线膨胀系数原理
据2L =Nλ
11
3、小结
（1） 固体线膨胀特性由线膨胀系数α来描述；
L • 1
L T
（2）通过光学干涉法测量受热伸长量△L：
受热伸长量△L 干涉条纹变化N
L N
1、线膨胀系数简介
假设固体在温度T0时长L，受热后温度达到 T1时的一维方向伸长量为L，则有：
上式α就是线膨胀系数，描述固体材料的膨胀
特性。 例如：铁为1.2×10-5 °C-1。如何测量L？
5
问题：微小形变量怎么测？
微 小 形 变 量
6
2、干涉法测线膨胀系数原理
为了方便测量线膨胀系数，我们将固体材料 做成条状或棒状，置入加热盘中，加热后测轴向 伸长量。
主讲人：***
内容导航
线膨胀系数简介 干涉法测线膨胀系数原理
小结与思考
2
1、线膨胀系数简介
空隙
铁轨
铁轨受热变形
固体受热在一维方向上的伸 长称为固体线膨胀。
3
实验介绍 利用干涉方法测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数.ppt
化钾）的吸收光谱，并分别算出硫酸铜和铁氰 化钾浓度。 • 测量不同波长滤色片的透射光谱。
单色仪内部结构
单色仪光学原理图 M1反射镜、M2准光镜、M3物镜、G平面衍射光栅
S1入射狭缝、S2观察口1、S3 观察口2
多功能光栅光谱仪(单色仪)
多功能光栅光谱仪内部结构
光栅及反射镜
准光镜和物镜
实验内容
• 光谱仪调节。 • 测量不同光源光谱的发射光谱，比较研究不同
入射缝和出射缝大小时对光谱谱线的影响。 • 测量硫酸铜溶液吸收光谱，并算出其最大吸收
色散率Ｄ D d K d d cos
分辨率R
R
R KN
n =3
n =4
n =5
可见光区域氢光谱谱线称为巴尔末线系，其分布 规律为：
1
4, 5……
里德伯常量 RH 1.0973731534107 m1
掠入射法测量三棱镜折射率以及液体折射率
三棱镜色散率曲线的测量
分光计，三棱镜，发光二极管， 透镜，小型单色仪等
色散率 dn
d
小型单色仪
光谱仪的应用
光谱
• spectrum : "image" or "apparition “
• Light intensity or power, frequency or wavelength
• Sound waves • Any signal
玻璃样品
加热装置
光源支架及样品平台
实验内容
• 测量玻璃的热膨胀系数β和折射率温度系数γ • λ = 632.8nm，L = 10.12±0.05mm，平均折射率
热膨胀系数的测量与计算
热膨胀系数的测量与计算热膨胀系数是物体在温度变化时线膨胀或者体膨胀的程度，在工程设计和材料研究中具有重要的意义。
本文将对热膨胀系数的测量与计算进行探讨。
测量热膨胀系数的方法主要有拉伸法、差热法和干涉法。
拉伸法是将待测物体固定住，在温度变化时通过测量其长度的变化来计算热膨胀系数。
这种方法适用于线膨胀系数的测量，但对于体膨胀系数的测量有一定的局限。
差热法是将待测物体与参比物体置于同一温度条件下，然后通过测量两者间的温度差来计算热膨胀系数。
这种方法适用于大部分材料的热膨胀系数测量，但需要考虑到温度梯度和传热问题。
干涉法是利用光的相位差来测量热膨胀系数，通过干涉仪或干涉条纹方法来实现。
这种方法精确度高，适用于各种材料的热膨胀系数测量，但设备复杂，操作要求高。
除了测量方法，计算热膨胀系数也是十分重要的。
根据热膨胀系数的定义，可得到其计算公式为ΔL/L0=α*ΔT，其中ΔL为温度变化引起的长度变化，L0为初始长度，α为热膨胀系数，ΔT为温度变化量。
对于材料的体膨胀系数，可通过加权平均法或基于理论模型的计算方法来求取。
加权平均法是根据不同晶向的膨胀系数以及晶体的晶向构造来计算体膨胀系数，这种方法适用于单晶材料。
基于理论模型的计算方法则是利用分子动力学模拟或经验公式来计算体膨胀系数，这种方法适用于非晶态材料。
在实际工程和研究中，热膨胀系数的测量和计算可以帮助我们预测材料在温度变化下的形变和变形情况。
例如，在航空航天领域，热膨胀系数的准确测量和计算有助于设计和制造航天器的构件，确保其在极端温度条件下的正常运行。
在建筑领域，根据材料的热膨胀系数，可以合理选择与搭配建筑材料，防止建筑物在温度变化下产生不均匀的应力和变形，从而影响结构的安全性和使用寿命。
此外，热膨胀系数还可以用于材料的热膨胀补偿和应力分析。
在电子设备制造中，为了保证电子元件的稳定性和可靠性，通常会采用热膨胀系数匹配的方法，将材料的热膨胀系数与其他部件相匹配，以减少因温度变化引起的应力和变形。
测量热膨胀系数
测量热膨胀系数热膨胀系数是指物体在温度发生变化时长度或体积的改变程度与温度变化量的比值。
测量热膨胀系数（也称为线膨胀系数和体膨胀系数）对于许多工程和科学应用都是非常重要的。
本文将介绍几种常用的测量热膨胀系数的方法及其原理。
1. 膨胀杆方法膨胀杆方法是一种常见的测量线膨胀系数的方法。
其基本原理是利用测试物体的长度变化来计算热膨胀系数。
在实验中，一个细长的金属杆被固定在一个恒定温度的环境中。
当环境温度变化时，金属杆会因为热膨胀而发生长度变化。
通过测量杆的长度变化以及温度变化，可以计算出该材料的线膨胀系数。
2. 拉伸法拉伸法是一种用于测量线膨胀系数的常用方法。
这种方法通常在实验室环境中进行。
实验中，将一个标准长度的金属样品夹紧，并通过一台恒定拉力的机器施加拉力。
然后，将样品加热至较高温度，并测量样品的长度变化。
通过计算长度变化与温度变化之间的比率，可以得到材料的线膨胀系数。
3. 热电偶法热电偶法是一种常见的测量体膨胀系数的方法。
该方法利用两个不同材料的热电偶，测量不同材料受热后的温度差异。
在实验中，将一个热电偶焊接在待测物体的表面，另一个热电偶置于环境中。
当待测物体受热时，两个热电偶之间会产生电势差，这个差异可以与样品的体膨胀系数相关联。
4. 干涉法干涉法是一种利用光学干涉原理来测量热膨胀系数的方法。
实验中，将一个带有反射膜的细条形样品放置在一条光束上。
当样品受热膨胀时，其长度发生变化，从而导致光束的相位发生变化。
通过测量光束传播的相位变化，可以计算出样品的线膨胀系数。
总结：本文介绍了几种常见的测量热膨胀系数的方法。
这些方法包括膨胀杆方法、拉伸法、热电偶法和干涉法。
这些方法在工程和科学领域中广泛应用，可用于评估材料在温度变化下的性能表现。
通过选择合适的方法并进行准确的测量，可以帮助工程师和科学家更好地理解和应用热膨胀系数的知识。
用光学干涉法测量材料的高温线膨胀系数
Measuring the thermal expansion coefficient by light interferometry
MIAO Zhuo jun , WANG Xin sheng , XU Mei hua
1 2 2
( 1. School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing, Jiangsu 211189, China; 2. College of Sciences, Nanjing University of Technology, Nanjing, Jiangsu 210009, China)
1
1 1
测量装置
测量反射镜位移部分 仿照迈克耳孙干涉仪 , 使用氦氖激光器, 利用光
学小元件如平面反射镜、 光学玻璃、 观察屏等自搭光 路 , 在大理石板上制成干涉仪平台 , 把干涉仪平台固 定在一个导轨上 , 如图 1 所示. 利用迈克尔逊干涉仪 测量微小位移的原理 , 精确测量反射镜的位移 . 1 2 位移传递部分 用一个悬空固定支架将一端封闭的石英玻璃管 ( 配有热电偶 ) 的开口端固定在大理石干涉仪平台上 方 , 使石英玻璃管水平悬空 . 待测件放入石英玻璃管 内近闭口端 . 由于石英的线膨胀系数相对较小 , 所以 选用一根石英玻璃棒作为传递杆, 棒的一端与待测
Abstract: Expansion quantity at high temperature is transferred to room temperature by quartz staff, and addi tive effect deriving from transformation is eliminated by confirming standard. A self restraint apparatus is made to measure the thermal expansion coefficient, and measuring principle is based on the measuring the micro - displace ment by Michelson interferometer; the relative error only is 1. 0% , moreover, the measuring process is simple. Key words: thermal expansion coefficient; interferometer; measurement
低膨胀玻璃线热膨胀系数试验方法 激光干涉法-最新国标
低膨胀玻璃线热膨胀系数试验方法激光干涉法1 范围本文件规定了激光法检测低膨胀玻璃线热膨胀系数试验方法的术语和定义、原理、试验装置、试样、试验条件、试验步骤、数据处理、检验报告等。
本文件适用于线热膨胀系数不大于10-7/℃的低膨胀玻璃（包括超低膨胀石英玻璃、超低膨胀微晶玻璃和高纯石英玻璃等品种）线热膨胀系数的测试，其他低膨胀固体材料可参考使用。
2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。
其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T 1216 外径千分尺GB/T 16839.1—2018 热电偶第1部分：电动势规范和允差（IEC 60584—1:2013,IDT）GB/T 21389 游标、带表和数显卡尺3 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。
3.1低膨胀玻璃 low expansion glass在某一温度范围内平均线热膨胀系数不大于10×10-7/℃的玻璃。
3.2线热膨胀率 linear thermal expansion在温度T1和T2之间的线热膨胀率为△L/L0。
其中：△L=（L2-L1），L0是室温下的试样长度。
[来源：GB/T 16535-2008，3.1]注：假设当温度从T1变到T2时，试样长度从L1变到L2。
3.3平均线热膨胀系数 mean linear thermal expansion coefficient在温度T1和T2之间的平均线热膨胀系数为[来源：GB/T 16535-2008，3.1，有修改]注：单位以10-6/℃表示。
3.4瞬时线热膨胀系数 instantaneous linear thermal expansion coefficient瞬时线热膨胀系数为T2趋近于T1时的平均线热膨胀系数，即在温度为T时，按照下式计算长度-温度曲线的斜率：。
利用干涉方法测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数
利用干涉方法测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数郭雪雪光信息与科学技术0930*******摘要：使用光学干涉方法来测量一种玻璃材料的热膨胀系数和折射率温度系数,并验证牛顿冷却定律。
实验得到干涉光斑的条纹移动数与温度呈线性关系，通过拟合实验曲线的斜率，即可计算该玻璃样品的热膨胀系数和折射率温度系数。
该实验装置结构简单、调节方便、条纹移动清晰，自然降温法获得的数据线性良好，精确度高。
关键词：光学干涉法，热膨胀系数，折射率温度系数实验原理光学仪器常常需要在高温或低温的条件下使用。
当光学仪器在不同温度下使用时,其光学元件材料的热学性质，包括热膨胀系数和折射率温度系数，会直接影响它的光学性质。
热膨胀系数β的定义为β=dL/(L*dT)， (1)折射率温度系数γ的定义为γ=dn/dT， (2)其中L是材料的长度、T是温度、n是折射率。
牛顿冷却定律（Newton's law of cooling)：温度高于周围环境的物体向周围媒质传递热量逐渐冷却时所遵循的规律。
当物体表面与周围存在温度差时，单位时间从单位面积散失的热量与温度差成正比，比例系数称为热传递系数。
牛顿冷却定律是牛顿在1701年用实验确定的，在强制对流时与实际符合较好，在自然对流时只在温度差不太大时才成立。
是传热学的基本定律之一，用于计算对流热量的多少。
环境温度和物体温度差小于25度时，牛顿冷却定律为:在物体(即热学系统)处于自然冷却的情况下,当实验系统的温度T高于外界环境温度θ且当T与θ之差较小时,系统由于表面热辐射而散失热量的速率和(T-θ)成正比,即 dQ/dt=k0(T-θ) (3)式中k0与系统的表面温度、表面光洁度、表面积以及环境温度θ有关,称为散热系数.在(T-θ)不大时,k0为常数.(3)式即为牛顿冷却定律的微分形式.将(3)式改写为dQ=k0(T-θ)dt (4)设系统的热容为C,在散失热量dQ之后,温度改变量为dT,有dQ=CdT,将此关系代入(4)式,得dT=k0C(T-θ)dt (5)令K=k0C,则得dT=K(T-θ)dt (6)根据(6)式,可以求出在时间t0到t的时间内,由于散热而引起的温度变化ΔTΔT=K∫tt0(T-θ)dt (7)本实验所用的样品由均匀各向同性的玻璃制成，如图1所示。
干涉法测热膨胀系数
干涉法测热膨胀系数【实验目的】1、 了解迈克尔逊干涉仪的基本原理。
2、 采用干涉法测量试件的线膨胀系数。
【实验原理】 1、固体的线膨胀系数在一定温度范围内，原长为0L （在0t ＝0℃时的长度）的物体受热温度升高，一般固体会由于原子的热运动加剧而发生膨胀，在t （单位℃）温度时，伸长量△L ，它与温度的增加量△t （△t=t-0t ）近似成正比，与原长0L 也成正比，即：△L=α×0L ×△t （1）此时的总长是：t L ＝0L +△L （2）式中α为固体的线膨胀系数，它是固体材料的热学性质之一。
在温度变化不大时，α是一个常数，可由式（1）和（2）得tL L t L L L t 1000•∆=-=α （3） 由上式可见，α的物理意义：当温度每升高1℃时，物体的伸长量△L 与它在0℃时的长度之比。
α是一个很小的量，附录中列有几种常见的固体材料的α值。
当温度变化较大时，α可用t 的多项式来描叙：α＝A+Bt+C 2t +……式中A ，B ，C 为常数。
在实际的测量当中，通常测得的是固体材料在室温1t 下的长度1L 及其在温度1t 至2t 之间的伸长量，就可以得到热膨胀系数，这样得到的热膨胀系数是平均热膨胀系数α：()()1212112112t t L L t t L L L -∆=--≈α （4）式中1L 和2L 分别为物体在1t 和2t 下的长度，△21L ＝2L -1L 是长度为1L 的物体在温度从1t 升至2t 的伸长量。
在实验中我们需要直接测量的物理量是21L ∆，1L ，1t 和2t 。
2、干涉法测量线膨胀系数图1 干涉法线膨胀系数原理图采用迈克尔逊干涉法测量试件的线膨胀系数如图1所示，根据迈克尔逊干涉原理可知，长度为L 1的待测试件被温控炉加热，当温度从t 1上升至t 2时，试件因线膨胀推动迈克尔逊干涉仪动镜（反射镜3）的位移量与干涉条纹变化的级数N 成正比，即：2λNL =∆ (5)式中λ 为激光的光波波长。
选做-干涉法测量金属的线膨胀系数
干涉法测量金属的线膨胀系数固体的线膨胀是指固体受热时在某一方向上的伸长。
这种特性是工程结构设计、机械和仪表制造、材料加工中要考虑的重要 因素。
在相同条件下，不同材料的固体线膨胀的程度不同。
各种材料膨胀特性用线膨胀系数（简称线胀系数）来描述。
线胀系数是选用材料的一项重要指标，实际中经常要对材料线胀系数做测定。
对于金属材料，温度变化引起长度的微小变化比较微小,一般采用光杠杆、光的衍射法等进行精确测量。
本实验中利用干涉法测量金属棒的热膨胀系数。
一、实验目的1．观察物体线膨胀现象，学会测量金属的线胀系数. 2．掌握应用迈氏干涉仪测量物体长度微小变化的方法. 二、实验仪器SGR —1型热膨胀实验装置、游标卡尺、铜棒、铝棒. 三、工作原理在不太大的温度变化范围内，原长为l 0的物体，受热后其伸长量l ∆与其原长l 0、温度的增加量t ∆近似成正比，即0l l t α∆=⋅⋅∆ （1）式中的比例系数α 即称为线胀系数，它表示当温度升高1℃时固体的相对伸长量。
由上式可得l l tα∆=⋅∆ （2）不同材料的线胀系数不同，塑料的线胀系数最大，金属次之，石英玻璃线胀系数很小。
线胀系数是选用材料的一项重要指标。
附表中列出几种物质的线胀系数值，对应有一个温度范围。
表1 几种材料的线胀系数实验指出，同一材料在不同的温度区段，其线胀系数是不同的，但在温度变化不大的范围内，线膨胀系数近似是一个常量。
线膨胀系数的测定是人们了解材料特性的一种重要手段。
在本实验中我们用SGR-1型热膨胀实验装置测量金属棒在20℃～50℃范围内的线膨胀系数，其工作原理是基于光干涉法来进行微小长度量的测量，其光路图见图1所示。
从He-Ne 激光器出射的激光束经过分束器（半反镜）后分成两束，分别由两个反射镜：定镜和动镜反射回来，由于分束器的作用两束反射光在观察屏上会相遇并形成明暗相间的同心环状干涉条纹。
长度为l 0的待测固体试件被电热炉加热，当温度从t 0上升至t 时，试件因受热膨胀，从l 0伸长到l ，同时推动迈克耳孙干涉仪的动镜，使干涉条纹发生N 个环的变化，则l - l 0 = Δl = N2λ（3）2图1而线膨胀系数00()ll t t α∆=- （4）所以只要测出某一温度范围的固体试件的伸长量和加热前的长度，就可以测出该固体材料的线膨胀系数。
干涉法测热膨胀系数
干涉法测热膨胀系数【实验目的】1、 了解迈克尔逊干涉仪的基本原理。
2、 采用干涉法测量试件的线膨胀系数。
【实验原理】 1、固体的线膨胀系数在一定温度范围内，原长为0L （在0t ＝0℃时的长度）的物体受热温度升高，一般固体会由于原子的热运动加剧而发生膨胀，在t （单位℃）温度时，伸长量△L ，它与温度的增加量△t （△t=t-0t ）近似成正比，与原长0L 也成正比，即：△L=α×0L ×△t （1）此时的总长是：t L ＝0L +△L （2）式中α为固体的线膨胀系数，它是固体材料的热学性质之一。
在温度变化不大时，α是一个常数，可由式（1）和（2）得tL L t L L L t 1000•∆=-=α （3） 由上式可见，α的物理意义：当温度每升高1℃时，物体的伸长量△L 与它在0℃时的长度之比。
α是一个很小的量，附录中列有几种常见的固体材料的α值。
当温度变化较大时，α可用t 的多项式来描叙：α＝A+Bt+C 2t +……式中A ，B ，C 为常数。
在实际的测量当中，通常测得的是固体材料在室温1t 下的长度1L 及其在温度1t 至2t 之间的伸长量，就可以得到热膨胀系数，这样得到的热膨胀系数是平均热膨胀系数α：()()1212112112t t L L t t L L L -∆=--≈α （4）式中1L 和2L 分别为物体在1t 和2t 下的长度，△21L ＝2L -1L 是长度为1L 的物体在温度从1t 升至2t 的伸长量。
在实验中我们需要直接测量的物理量是21L ∆，1L ，1t 和2t 。
2、干涉法测量线膨胀系数图1 干涉法线膨胀系数原理图采用迈克尔逊干涉法测量试件的线膨胀系数如图1所示，根据迈克尔逊干涉原理可知，长度为L 1的待测试件被温控炉加热，当温度从t 1上升至t 2时，试件因线膨胀推动迈克尔逊干涉仪动镜（反射镜3）的位移量与干涉条纹变化的级数N 成正比，即：2λNL =∆ (5)式中λ 为激光的光波波长。
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干涉法测热膨胀系数
【实验目的】
1、 了解迈克尔逊干涉仪的基本原理。
2、 采用干涉法测量试件的线膨胀系数。
【实验原理】 1、固体的线膨胀系数
在一定温度范围内，原长为0L （在0t ＝0℃时的长度）的物体受热温度升高，一般固体会由于原子的热运动加剧而发生膨胀，在t （单位℃）温度时，伸长量△L ，它与温度的增加量△t （△t=t-0t ）近似成正比，与原长0L 也成正比，即：
△L=α×0L ×△t （1）
此时的总长是：
t L ＝0L +△L （2）
式中α为固体的线膨胀系数，它是固体材料的热学性质之一。
在温度变化不大时，α是一个常数，可由式（1）和（2）得
t
L L t L L L t 1
000∙∆=-=
α （3） 由上式可见，α的物理意义：当温度每升高1℃时，物体的伸长量△L 与它在0℃时的长度之比。
α是一个很小的量，附录中列有几种常见的固体材料的α值。
当温度变化较大时，α可用t 的多项式来描叙：
α＝A+Bt+C 2t +……
式中A ，B ，C 为常数。
在实际的测量当中，通常测得的是固体材料在室温1t 下的长度1L 及其在温度1t 至2t 之间的伸长量，就可以得到热膨胀系数，这样得到的热膨胀系数是平均热膨胀系数α：
()()
12121
12112t t L L t t L L L -∆=--≈
α （4）
式中1L 和2L 分别为物体在1t 和2t 下的长度，△21L ＝2L -1L 是长度为1L 的物体在温度
从1t 升至2t 的伸长量。
在实验中我们需要直接测量的物理量是21L ∆，1L ，1t 和2t 。
2、干涉法测量线膨胀系数
图1 干涉法线膨胀系数原理图
采用迈克尔逊干涉法测量试件的线膨胀系数如图1所示，根据迈克尔逊干涉原理可知，长度为L 1的待测试件被温控炉加热，当温度从t 1上升至t 2时，试件因线膨胀推动迈克尔逊干涉仪动镜（反射镜3）的位移量与干涉条纹变化的级数N 成正比，即：
2
λ
N
L =∆ (5)
式中λ 为激光的光波波长。
将式（5）带入式（4）得：
()
1212t t L N
-=
λ
α （6）
【主要技术参数】
1、He-Ne 激光器：功率约1 mW ，波长632.8 nm （可选）； 半导体激光器：功率约1.5mW ，波长650nm （可选）；
2、温控仪适宜升温范围：室温-60℃，测温最小分辨率0.1℃；
3、试件品种：硬铝（20℃起测），黄铜（H62） a=20.8×10-6/℃（25℃～300℃），
钢（20℃起测）；
4、试件尺寸：L= 150 mm ，φ= 18 mm；
5、线膨胀装置系统误差：＜3 %。
【实验仪器】
图2 热膨胀实验仪
1. 温控表：温度设定与控制；
2. 启/停：开启或停止智能控温；
3. 电源总开关；
图3 仪器正视面板图
4. 半导体激光电源，5V输出（仅
半导体激光器型）；
5. 市电AC220V输入；
图4 仪器右侧面板图
6. PT100测温传感器接口；
7、加热炉控制电源输出；
图5 仪器右侧面板图
【实验步骤】
1.待测试件的放置
首先，将待测试件从试件盒中取出（可用M4螺钉旋入试件一端的螺纹孔内，将试件提拉出来），再用游标卡尺测量并记录试件长度L1。
移开反射镜2，手提M4螺钉把试件放入电热炉（确保试件的测温孔与炉侧面的测温探头插入圆孔对准；注意轻放，禁止将样品直接掉进加热炉，以免砸碎试件底端的石英玻璃垫）。
然后拧下螺钉，将带螺纹的反射镜3与试件连接起来（不可拧的过紧以免石英玻璃破碎）。
当要更换试件时，需先拧下反射镜3，用辅助的M4螺钉取出试件。
将测温PT100探头，通过加热炉侧面圆孔插入试件测温孔内；传感器插座与仪器后面板上的“PT100”插座对应相连；加热炉控制电源与仪器后面板上的“加热炉电源输出”相连。
最后，重新放置好反射镜2。
2. 光路调节
接通电源，点亮氦氖激光器；若使用的是半导体激光器，可以将半导体激光器与仪器右侧的5V激光电源相连，开启仪器电源开关即可。
先移开扩束镜，调节激光器出射光、反射镜1、反射镜2和分束镜，使毛玻璃瓶上两组光点中两个最强点重合。
接着，将扩束镜放置到光路中，若采用半导体激光器作为光源，可以通过扩束镜调节架放置并调节扩束镜的位置；若采用氦氖激光器，则需要将带有磁性的扩束镜架放置在激光器出光口上；仔细调节，毛玻璃屏上将出现干涉条纹，通过微调反射镜1和反射镜2，可将干涉环调节到毛玻璃屏中便于观察的位置。
3. 实验测试
实验方法：可以采用按试件一定的伸长量（例如50或100个干涉环变化对应的光程差），测出试件温度的变化量；也可以采用按升高一定的温度（例如5℃或10℃）测量试
件伸长量的方法；从而根据测得的数据，计算试件的线胀系数。
测量前，先设定温控表所需达到的温度值。
可以把设定值设置到比室温高15-25℃左右，然后按下“启/停”开始给试件加热。
认准干涉图样中心的形态，记录试件初始温度t1，同时仔细默数环的变化量（可以观测到几个均匀变化的干涉环后再开始记录数据）。
待达到预定数（例如50环或100环）时，记录温度显示值t2。
由于温度控制器是调差控制器，达到温度控制点时会有反复，所以需避开智能调整温度范围，防止干涉环时而涌出时而缩进，不便于计数。
样品测试完毕后，若没有达到设置温度，可以直接按“启/停”键，停止加热，并将温控表的设定温度值调节到室温以下，对加热炉进行冷却。
若室温低于试件的线性变化温度范围时，可加热至所需温度后再开始实验测量。
测量不同试件的数据，填入表1。
实验完毕后，将温控表设定温度设置在室温以下，完毕电源。
【注意事项】
1. 反射镜3（动镜）上粘结的石英玻璃管不能承受较大的扭力和拉力。
2、加热炉中，试件底部的石英垫不能承受较大冲击，务必轻拿轻放试件。
3、加热炉温度不可设置太高，以免冷却时间过长。
4、眼睛不可直视激光束。
5、反射镜和分束镜均为易碎器件，注意安全。
6、保证实验环境的安静。
【实验举例】（数据仅供参考）
1. 实验条件：室温23.1℃，氦氖激光器波长63
2.8nm，温控器设置温度为38℃，待干涉
2. 实验条件：室温2
3.5℃，氦氖激光器波长632.8nm，温控器设置温度为42
℃，待干涉
附录1智能双数显温度调节仪使用说明书。