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，的物理意义为：温度每升高时物体的伸长量与它在时的长度之比，单位为：或。

实际测量中，一般只能测得材料在温度及时的长度及，设是常量，则有：

(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被压缩时，指针Ｈ转过一格。而指针Ｐ则转过一周，表盘上每周等分小格，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℃40.0 50.0 60.0

70.0

千分表读数△L 铁棒铜棒铝棒

L=400 mm℃初始温度T1 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.