DH4608金属热膨胀系数实验仪说明书(08-9-6)

DH4608型金属热膨胀系数实验仪

使

用

说

明

书

杭州大华科教仪器研究所

杭州大华仪器制造有限公司

固体的线热膨胀系数的测量

物体因温度改变而发生的膨胀现象叫“热膨胀”。通常是指外压强不变的情况下，大多数物质在温度升高时，其体积增大，温度降低时体积缩小。也有少数物质在一定的温度范围内，温度升高时，其体积反而减小。在相同条件下，固体的膨胀比气体和液体小得多，直接测定固体的体积膨胀比较困难。但根据固体在温度升高时形状不变可以推知，一般而言，固体在各方向上膨胀规律相同。因此可以用固体在一个方向上的线膨胀规律来表征它的体膨胀。

我公司的DH4608型金属热膨胀系数实验仪是对固体线热膨胀系数的一种直读式测量仪，在大专院校的普通物理实验教学中对物质的热胀冷缩的特性可做出定量考查，并可对金属的线膨胀系数做精确测量计算。物质在一定温度范围内，原长为0L 的物体受热后伸长量L ?与其温度的增加量t ?近似成正比，与原长0L 也成正比，即：t L L ?=?0α。式中α为固体的线热膨胀系数。实验证明：不同材料的线膨胀系数是不同的。同学可对已配备的实验铁棒、铜棒、铝棒进行测量并计算其线膨胀系数。

DH4608型金属热膨胀系数实验仪是对固体线热膨胀系数的一种精密测定仪，可对各种固体的热胀冷缩的特性做出定量检测，并可对金属的线膨胀系数做精确测量。本仪器的恒温控制由高精度温度传感器（Pt100）与具有模糊PID 控制的微控器（MCU ）组成，炉内用特厚良导体纯铜管导热，在达到炉内温度热平衡时，炉内温度不均匀性≤0.1℃，仪器温度读数精度为士0.1℃，加热温度控制范围为室温至80℃。

一、实验目的

⒈ 了解DH4608固体热膨胀系数实验仪的基本结构和工作原理。

⒉ 掌握使用千分表和温度控制仪的操作方法。

⒊ 掌握测量固体线热膨胀系数的基本原理。

4．测量铁、黄铜、铝棒的线膨胀系数。

5. 学会用图解图示法处理实验数据，并分析实验误差

二、实验原理

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 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 。 为了得到精确的测量结果，因此，我们需要得到精确的α，这样不仅要对21L ?，1t 和2t 进行精确的测量，还要扩大到对1i L ?和相应的温度i t 的测量。即：

)(111t t L L i i -=?α i=1,2,3,…… （5） 在实验中我们等温度间隔的设置加热温度（如等间隔5℃或10℃），从而测量对应的一系列1i L ?。将所得到的测量数据采用最小二乘法进行直线拟合处理，从直线的斜率可得到一定温度范围内的平均热膨胀系数α。

三、实验仪器使用说明

1、电加热恒温箱的结构和使用要求：

1.1结构如图（1）

图1 电加热恒温箱的结构图

1托架2隔热盘A 3隔热顶尖4导热衬托A 5加热器

6特厚导热均匀管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 14千分表固定架15千分表16支撑螺钉17坚固螺钉18千分表滑络端

1.2使用要求

1）被测物体为直径Φ8mm，长400mm，的三种不同的金属棒；

2）整体要求平稳。因伸长量极小，故仪器不应有振动；

3）千分表安装须适当固定（以表头无转动为准）且与被测物体有良好的接触（读数在0.2—0.3mm 处为适宜，然后再转动表壳校零）；

4）被测物体与千分表探头需保持在同一直线。

2、恒温控制仪使用说明

图2 恒温控制仪操作面板示意图

四、主要技术指标

1、温度控制分辨率：0.1℃；控制精度±0.1℃。

2、恒温控制器的控温范围：室温到85℃。

3、恒温加热炉内空间温度达到平衡时，温度的梯度≤±0.1℃。

4、千分表：测量精度0.001mm，量程0-1mm。

5、待测金属棒样品：直径Φ8mm，长度400mm。

6、工作电源：AC220V ±10%，50Hz-60Hz ，功耗100W 。

7、使用环境：温度0-40℃，湿度≤85%。

五、实验仪器组成

恒温控制器，加热恒温箱，三根待测金属棒，千分表。

六、实验步骤：

l 、接通电加热器与温控仪输入、输出接口和温度传感器的航空插头。

2、用扳手旋松千分表固定架螺栓，取下千分表固定架，将测样品（直径为Φ8mm 、长为400mm 金属棒）从胶木孔插入特厚壁紫铜管内，(圆胶木中心孔是用来插测样品，旁边小孔用来插入传感器)，再插入不良导热体（不锈钢）用力压紧后装上千分表固定架，在安装千分表架时注意被测物体与千分表测量头保持在同一直线。

3、将千分表安装在固定架上，并且扭紧螺栓，不使千分表转动，再向前移动固定架，使千分表读数值在0.2一0.3mm 处，拧紧固定架螺栓。然后稍用力压一下千分表滑落端，使它能与绝热体有良好的接触，再转动千分表圆盘读数为零。（仪器已安装好的，可以不做）。

4、连接好仪器后，关闭加热电流，接通温控仪的电源，静置10分钟后，在这期间可用熟悉温控表的使用说明书，记录千分表和温度表的起始读数，然后再设定需加热的值，一般可逐次增加温度10℃，分别设定为20℃、30℃、40℃、50℃、60℃，接通加热电流，开始加热，此时加热指示灯闪动。

5、当显示值上升到设定值附近，恒温控制仪自动控制到设定值。正常情况下加热波动一、二次后达到稳定值，此时可以记录终止读数△L 和△t ，将数据记录在表格1中。并通过公式

t

L L ??=α 计算线热膨胀系数并画出△t （作x 轴）-L ?（作y 轴）的曲线图，观察其线性。

6、换用不同的金属棒样品，分别测量并计算各自的线热膨胀系数。与附录一提供的参考值进行比较，计算出测量的百分误差。

表1、固体线热膨胀系数测定表

测.量样品：

注意事项：

1、千分表是精密仪表，不能用力挤压。

2、实验过程中不能振动仪器和桌子，否则会影响千分表读数。

实验举例

1、测量Ф8mm×400mm黄铜棒的热膨胀系数，按照实验步骤和要求，安装固定好测试棒。

2、记录下环境温度和千分表的初始读数，将温度分别设定为30℃、40℃、50℃、60℃，分别记录下当温度达到平衡时的千分表读数。并将数据记录在表格1中。在计算时，将数据进行处理，以30℃为起始点，进行数据计算。

表1、固体线热膨胀系数测定表

测量样品：黄铜棒Ф8mm×400mm

附录一

附录二

千分表使用说明

千分表是一种将量杆的直线位移通过机械系统传动转变为主指针的角位移，沿度盘圆周上有均匀的标尺标记，可用于绝对测量、相对测量、形位公差测量和检测设备的读数头。

千分表的使用方法：

一、使用前的准备工作：

1．检验千分表的灵敏程度，左手托住表的背面，度盘向前用眼观察，右手拇指轻推表的测头，试验量杆的移动是否灵活。

2. 检验千分表的稳定性，将千分表夹持在表架上，并使测头处于工作状态，

反复几次提落防尘帽自由下落测头，观察指针是否指向原位。

二、测量和读数方法

1. 先把表夹在表架或专用支架上，所夹部位应尽量是靠近下轴根部，但是

不可以影响表圈的转动，夹紧即可，不要太过紧，以免压坏伸缩杆。

2. 校准零位

校准零位有两种方法：第一种是，旋转表盘的外圈，使刻度盘对准“0”

位对准指针。第二种是，轻而缓慢的移动表架的悬臂，使其升起或下降，通

过升降量杆的压缩量，这就是等于旋转表针去对准刻度盘的“0”位。

在我们校对零位的时候，应尽量使表的测量头对准基本面，并使量杆有一定的伸缩量（如：0.02～0.2mm），再用扳手固定住千分表支架，夹住千分表。在对好零位后，应反复几次提起，放手让其回落防尘帽（升落0.1m m～0.2mm左右），待指针位稳定后方可旋转表外圈对零。在对零位时，我们要重复检查，要求指针测量既准又稳。

3.测量

测量平面时，应使千分表的量杆轴线与所测量表面垂直，防止有斜角现象。测量圆柱体时，量杆轴线应该通过工件中心并与母线垂直。在测量过程中，可以看到大小指针都在转动。大指针每转一格为0.001mm（合0.0001in）；大指针转一圈，小指针转一格。在开始测量时，我们要记住大小指针的初始值，待测量读数，做差值即为测量值。在读数视线要垂直于千分表的刻度盘，如果大指针停留在刻线之间，就进行估读。

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