“非良导体热导率的测量”的误差分析及改进

在 大学 物理 实验 教 学 中 ， 学实 验 是 不 可 缺 热 少 的一类 。“ 良导体热 导率 的测量 ” 非 实验 作 为热
学方面 的重 要 实 验 ， 被大 多 数 学 校选 用 。本 文 对
止 。这样 可 以得到 一系 列对应 时 间的温度 值 。
温度 引线 温度传感器引线
高于 Ｔ 一定温度后移开 Ｃ盘 ， Ａ盘 自然散热 ， ２ 让 在 Ａ盘冷却的过程中， 每隔一段时间（ ３ ） 如 Ｏ 记 ｓ 录一 次 Ａ 盘 的温 度 ， 到温 度 低 于 Ｔ２一定 程度 直
收 稿 日期 ： ０ ９０－３ ２ ０ —７０
一
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； （ ｑ ２Ａ ｄ ｒ ＲＡ ＲＡ － ｈ ） Ｑ￣ ２ ＲＡ（ ＋ ＾ ） ｔ ＲＡ Ａ ｄ
待测材料Ｂ 散热铝盘Ａ 温度传 感器 引线
图 １ 热导率测量实验装置
１ 实验原 理概述
目前 测量 热导率 的方法 基本 都是建 立 在傅立 叶热 传导定 律 的基 础 之 上 ， 量 的方 法 可 分 为两 测 大类 ： 态法 和瞬 态 法［ 。在 大学 物理 实 验 教 学 稳 １ ］
髓 选择
Ｙ—Ｚ２ Ｊ Ｒ 一 数字 智能化热学综合实验仪
回
上下窿 莲 卡 羹动位 盘盘 霜 蠹 爨 羿启复 差温 囊 震
度粗选 度细选 ｒ 盘盈发 开关
图 ２ Ｙ － Ｚ ２型 数字 智 能 化 综 合 买 验 仪器 面板 ３ － Ｒ
中常使用稳态平板法测量非 良导体的热导率 。实 验通 过对供 热功率 的控 制来实 现对 加热 盘温 度 的 调节 ， 散热 采 取 自然 散 热 ， 实验 装 置 如 图 １所示 。 Ｙ — Ｚ２型数字 智能 化综 合 实验 仪 器 面 板 如 图 ２ ＪＲ －
繁琐且精确度不高 。利用 Ｏｒ ｉ ｉ ｎ软件处理数据 中的非线性拟合和切线功能可以既精确又迅 速的得 出实 ｇ 验结果 ， 并且结果 可视化 、 数据可及时更新 。从而提高了该实验在 物理 教学 中的效果 。
关 键 词： 大学物理实验 ； 热导率 ； 数据处 理 ； ｒ ｉ Ｏ ｉｎ ｇ
文献标识码 ： Ａ 中 图分 类 号 ： ４３ Ｏ －
所示。
由傅 立 叶热传导 定律 可得稳 态 时通过样 品 的 传热 速率 为 ：
一＾ 一 ｓＢ Ｌ （） １
实验过 程Ｌ。 ： １为 。
首 先调 整仪 器 两 边 的 紧 固螺 钉 使 加 热 盘 Ｃ、 待 测材 料 Ｂ和 散热 铝 盘 Ａ 接 触 ， 接 好 电 缆 线 。 连 通 过调 节温度 粗选 和温度 细选 使样 品经 过一段 时 间后到达 稳 态 。记 录 待 测 材 料 Ｂ上 下 表 面 稳 态
温度 Ｔ１和 Ｔ 。之后将 样 品 取下 ， 散 热 铝 盘 Ａ ２ 让
式 中 ： 为样 品厚 度 ； ＾ Ｓ 一 备为样 品上表 面积 ；
为导热系数 。在稳定导热条件下认为待测样品 Ｂ盘的传热速率 与铝盘 Ａ在 时向周围环境
散热 的速率 成正 比。又 因为 ：
ｄ Ｑ
— —
直接 与加 热盘 Ｃ 紧密 接 触 。 当 Ａ 和 自主性 ［ 引。
３ ２ 数据 处理 方 法改进 ．
盘Ａ ｚ 向 围 境 热 速 苦就 求 在Ｔ时 周 环 散 的 率 可
出导热 速率 。
求铝 盘散 热率 是 整个 实验 数据 处理 过程 中的
—
—
，、 ９
、 。
式 中 ： 一和 ｈ Ｒ 分 别 为 Ａ盘 的半 径 和 厚度 。对 铝
“ 良导 体 热 导 率 的 测 量 ” 误 差 分 析 及 改进 非 的
盘 Ａ（ 度 均 匀 时 ） ： 温 有
ｄ ＝ 铝 ｃ ｔ ｔ ＝ 啊 铝 ｄ ＝ 啊 （） ３
触， 这样 可 以减少 三个 盘 之间 的 间隙 ， 传 热方 向 使
基 本 垂 直于 盘 面 ； 读取 数 据要 准确 而及 时 ； 尽量保 持实 验仪 器 周 围空 气 流 动 保 持稳 定 ， 理 数 据 的 处
可求 得 ：
＝ ＝：
时候 记得 化 为 国际单 位后 再计 算 等 。实 验 结束后
铝、 Ａ ｈ 、 、 Ｂ Ｔ１ 丁２ 可 以 由实 验 测 量 Ｒ 、Ａ ＲＢ ｈ 、 和 都 得 出准 确 值 ，铝 为 已知 常 数 。因 此 ， ｃ 只要 求 出 铝
“ 良导体 热 导 率 的测 量 ’ 非 ’ 的误 差 分 析及 改进
邓 敏， 李 华， 杨先 清 ， 燕， 海萍， 贾 郭 叶见 兰
（ 中国矿业大学 ， 江苏 徐州 ２１０） ２ ０ ８
摘
要： 非 良导体热导率测量” “ 实验是大学物理 实验中很重要 的一个实验 。实验数 据的处理 比较
第２卷 ３
第２ 期
大
学
物
理
实
验
Ｖｏ ３ Ｎ０ Ｌ２ ．２
Ａｐ ．２ ０ ｒ ０１
２１ ０ ０年 ４月
ＰＨ ＹＳ ＣＡＬ Ｅ Ｉ ＸＰＥＲＩ ＥＮＴ Ｍ ０Ｆ Ｃ０ＬＬ ＥＧＥ
文 章 编 号 ：０ ７２ ３ （０ ０ ０ —０ ４０ １０ －９４ ２ １ ） ２０ ７—３
该实验的现状进行分析 ， 从学生主体和实验操作 本 身及数 据处 理 方 面分 析 实 验误 差 产 生 的原 因 ， 在不 改变 现有 实验 仪 器 的情 况 下 ， 出相 对 合理 提 的解 决方式 ， 而提 高 该 实 验在 物 理 实 验教 学 中 从
的效果 。
加 热 圆盘 ｃ
学 时 ２缶等 ＋ ）ｄ 间 内有 目的 的对 向学 过 程 中的 生 进 行 研 究 有 豢黥１ ２Ａｈ也 ㈤ 实验 室仍 然继 续 实 验 生 开 放 ，问题可 以 在 这段， （一 ） Ａ ｔ Ｔ Ｔ（ Ｒ
针 对 性 的重做 实验 。对实 验 自主性 强 的和认 真完 成 整 个实 验 的学生 ， 实验 成绩 上 给予适 当提高 ， 在