线胀系数实验-实验说明

金属线膨胀系数测量实验绝大多数物质都具有“热胀冷缩”的特性，这是由于物体内部分子热运动加剧或减弱造成的。这个性质在工程结构的设计中，在机械和仪器的制造中，在材料的加工（如焊接）中，都应考虑到。否则，将影响结构的稳定性和仪表的精度。考虑失当，甚至会造成工程的损毁，仪器的失灵，以及加工焊接中的缺陷和失败等等。

【实验目的】

1．学习并掌握测量金属线膨胀系数的一种方法。

2．学会用千分表测量长度的微小增量。

【实验仪器】

FB712型金属线膨胀系数测量仪实验装置如图1、图2所示：

【实验原理】

材料的线膨胀是材料受热膨胀时，在一维方向的伸长。线胀系数是选用材料的一项重要指标。特别是研制新材料，少不了要对材料线胀系数做测定。

固体受热后其长度的增加称为线膨胀。经验表明，在一定的温度范围内，原长为L 的物体，受热后其伸长量L ∆与其温度的增加量t ∆近似成正比，与原长L 亦成正比，即：

t L L ∆••α=∆ （1）

式中的比例系数α称为固体的线膨胀系数（简称线胀系数）

。大量实验表明，不同材料的线胀系数不同，塑料的线胀系数最大，金属次之，殷钢、熔融石英的线胀系数很小。殷钢和石英的这一特性在精密测量仪器中有较多的应用。

几种材料的线胀系数 材 料

铜、铁、铝 普通玻璃、陶瓷 殷 钢 熔凝石英 数量级 ()15C 10−−°× ()16C 10−−°× ()16C 102−−°×< ()1

7C 10−−°× 实验还发现，同一材料在不同温度区域，其线胀系数不一定相同。某些合金，在金相组织发生变化的温度附近，同时会出现线胀量的突变。另外还发现线膨胀系数与材料纯度有关，某些材料掺杂后，线膨胀系数变化很大。因此测定线胀系数也是了解材料特性的一种手段。但是，在温度变化不大的范围内，线胀系数仍可认为是一常量。

为测量线胀系数，我们将材料做成条状或杆状。由（1）式可知，测量出时杆长L 、受热后温度从1t 升高到2t 时的伸长量L ∆和受热前后的温度升高量t ∆(12t t t −=∆)，则该材料在)t , t (21温度区域的线胀系数为：

()

t L L ∆•∆=α （2） 其物理意义是固体材料在()21t , t 温度区域内，温度每升高一度时材料的相对伸长量，其单位为()1

C −°。 测量线胀系数的主要问题是如何测伸长量L ∆。我们先粗估算一下L ∆的大小，若mm 250L =,温度变化C 100t t 12°≈−，金属的α数量级为()15C 10−−°×，估算mm 25.0t L L ≈∆••α=∆。对于这么微小的伸长量，用普通量具如钢尺或游标卡尺是测

不准的。可采用千分表（分度值为mm 001.0）

、读数显微镜、光杠杆放大法、光学干涉法等方法。本实验就用千分表分度值为mm 001.0千分表测微小的线胀量。

【实验内容和步骤】

1．把样品空心铜棒、铝棒安装在测试架上。在室温下用米尺重复测量金属杆的原有长度3~2次，记录到表1中，求出L 原有长度的平均值。

2．参照图1安装好实验装置，连接好加热皮管，打开电源开关，以便从仪器面板水位显示器上观察水位情况。水箱容积大约为ml 750。

3.加水步骤:先打开机箱顶部的加水口和后面的溢水管口塑料盖，用漏斗从加水口往系统内加水，管路中的气体将从溢水管口跑出，直到系统的水位计仅有上方一个红灯亮，其余都转变为绿灯时，可以先关闭溢水管口塑料盖。接着可以按下强制冷却按钮，让循环水泵试运行，由于系统内可能存在大量气泡，造成水位计显示虚假水位，只有利用循环水泵试运行过程，把系统内气体排出，这时候水位下降，仪器自动保护停机。（说明：为了保护加热器不损坏，仪器设计了自动保护装置，只有水位正常状态才能启动加热或强制冷却装置，系统水位过低、缺水将自动停机。）因此，在虚假水位显示已满的情况下，可采用反复启动强制冷却按钮,利用循环水泵的间断工作把管路中的空气排除,即启动强制冷却按钮→自动停机→再加水的反复过程，直到最终系统的水位计稳定显示，水位计只剩上方一个红灯未转变为绿灯，此时必须停止加水，以防水从系统溢出，流淌到实验桌上。接下来即可进行正常实验，实验过程中发现水位下降，应该适时补充。

4．设置好温度控制器加热温度:金属管加热温度设定值可根据金属管所需要的实际温度值设置。

5．将铜管（或铝管）对应的测温传感器信号输出插座与测试仪的介质温度传感器插座相连接。将千分尺装在被测介质铜管（或铝管）的自由伸缩端固定位置上，使千分表测试端与被测介质接触，为了保证接触良好，一般可使千分表初读数为mm 2.0左右，只要把该数值作为初读数对待，不必调零。(如认为有必要，可以通过转动表面，把千分尺主指针读数基本调零，而副指针无调零装置。)

6．正常测量时，按下加热按钮（高速或低速均可，但低速档由于功率小，一般最多只能加热到C 50°左右)，观察被测金属管温度的变化，直至金属管温度等于所需温度值（例如

C 35°）

。温控器设置操作方法请参看【附录1】. 7．测量并记录数据：

当被测介质温度为C 35°时，读出千分表数值35L ，记入表2中。接着在温度为C 70 ,C 65 ,C 60 ,C 55 ,C 50 ,C 45 ,C 40°°°°°°°时，记录对应的千分表读数70656055504540L ,L ,L ,L ,L ,L ,L

8．用逐差法求出温度每升高C 5°金属棒的平均伸长量，由（2）式即可求出金属棒在（C 35°，C 70°）温度区间的线膨胀系数。

【数据记录及处理】

数据记录1：注意：有效长度应等于总长度减去固定螺钉外的一小段（约mm 5左右）。 测量次数

1 2 3 平均值 铜棒有效长度()mm

铝棒有效长度()mm

数据记录2： 样品温度()C °

35 40 45 50 55 60 65 70 测铜棒千分表读数()m 10 L 6i −×

测铝棒千分表读数 ()m 10 L 6i −×

用逐差法处理数据：（也可以用最小二乘法处理）

计算铜α、 计算铝α

附几种纯金属材料的线膨胀系数：

物质名称 温度范围()C ° 线膨胀系数()16 C 10

−−°× 纯 铝 100~0 8.23

纯 铜 100~0 1.17

注：由于材料提炼和加工的难度，例如纯铝几乎无法进行机械加工，所以一般使用的材料多非纯金属，所以以上参数并非标准数据。而实际使用的金属材料的线膨胀系数比纯金属要小%~%1510，铜合金约为()15C 10

4.1−−°×，铝合金约为()15C 100.2−−°× ，供参考。

【思考题】

1． 该实验的误差来源主要有哪些？

2． 如何利用逐差法来处理数据？

3． 利用千分表读数时应注意哪些问题，如何消除误差？