金属线膨胀系数的测量888Word文档下载推荐.doc
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但是金属管与温度计之间有空气相隔,它们要靠空气传热,金属管温度要高于温度计温度。
另一方面由于金属的比热小,金属管温度变化易受其它因素影响而出现不平稳的现象,这些都会影响到测量结果的准确度。
本实验试着用另外一种方法(千分表法)去测量金属的线膨胀系数。
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,仪表的失灵,以及加工焊接中的缺陷和失败等等。
一.实验目的
学习测量金属线膨胀系数的一种方法。
二.实验仪器
金属线膨胀系数测量实验装置、YJ-RZ-4A数字智能化热学综合实验仪、
游标卡尺、千分表、待测金属杆(铜杆、铁杆)
金属线膨胀系数测量的实验装置如图1所示
内有加热引线和温度传感器引线
接“上盘”
隔热板
恒温腔
千分表
可调顶紧螺旋
千分表固定螺钉
图1
YJ-RZ-4A数字智能化热学综合实验仪面板如图2所示
YJ-RZ-4A数字智能化热学综合实验仪
℃
s
温度设定
上盘温度
下盘温度
测量选择
下盘
上盘
加热开关
启动
复位
设定温度粗选
设定温度细选
图2
三.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
L=
(1)
式中的比例系数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、熔凝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/
约10
<
210
约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。
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。
设固体在温度T1(单位为℃)时的长度为L,温度升到T2(单位为℃)时,其长度增加△L,根据式
(一),并整理可得到线胀系数
=
(2)
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(一般,杆在时的长度L可以近似等于杆在常温时的长度)、受热后温度达时的伸长量L和受热前后的温度及,则该材料在(,)温区的线胀系数为:
===(3)
其中:
K==
其物理意义是固体材料在(,)温区内,温度每升高一度时材料的相对伸长量,其单位为。
测线胀系数的主要问题是如何测伸长量L。
而L是很微小的,如当L≈250mm,温度变化≈100℃,金属的a数量级为10时,可估算出L≈0.25mm。
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0.001mm)、读数显微镜、光杠杆放大法、光学干涉法。
本实验中采用千分表测微小的线胀量。
设为室温,对应千分表读数为L1,通电加热后,温度每升高5℃或10℃读取一次千分表读数,直至读取十组数据,则可用分组计算法,求得K,即
Ki==[]I(4)
有三式可推得相对不确定度公式
=(5)
千分表是一种通过齿轮的多极增速作用,把一微小的位移,转换为读数圆盘上指针的读数变化的微小长度测量工具,它的传动原理如图3所示,结构如图4所示,
千分表在使用前,都需要进行调零,调零方法是:
在测头无伸缩时,松开“调零固定旋钮”,旋转表壳,使主表盘的零刻度对准主指针,然后固定“调零固定旋钮”。
调零好后,毫米指针与主指针都应该对准相应的0刻度。
千分表的读数方法:
本实验中使用的千分表,其测量范围是0-1mm。
当测杆伸缩0.1mm时,主指针转动一周,且毫米指针转动一小格,而表盘被分成了100个小格,所以主指针可以精确到0.1mm的1/100,即0.001mm,可以估读到0.0001mm。
即:
千分表读数=毫米表盘读数+主表盘读数(单位:
mm)
(毫米表盘读数不需要估读,主表盘读数需要估读)
例如:
图5中千分表读数为:
0.2+59.8=0.2598mm
P:
带齿条的测杆;
~:
传动齿轮;
R:
读数指针
3
图3
调零固定旋钮
表壳
测头
主表盘
主指针
毫米指针
毫米表盘
测杆
轴套
挡帽
图4图5
四、实验步骤
1、如图1所示,卸下三个下盘支撑螺钉,安装好实验装置,连接好电缆线。
将铜杆插人加热盘的恒温腔,使其完全在恒温腔内部,将“可调顶紧螺旋”的尖端靠拢铜杆一端,千分表(已调零好)测头靠拢铜杆的另一端,锁紧“千分表固定螺钉”,旋动“可调顶紧螺旋”,直到千分表的指针微有旋转(约0.2—0.3mm)。
打开电源开关,“测量选择”开关旋至“设定温度”档,调节“设定温度粗选”和“设定温度细选”钮,选择设定加热盘为所需的温度(如50.0℃)值。
3、计算得到铜杆的线胀系数
2、将“测量选择”开关拨向“上盘温度”档,打开加热开关,观察加热盘温度的变化,直至温度稳定,此时加热盘可能达不到设定温度,可适当调节“设定温度细选”使其温度达到所需的温度(如50.0℃),这时给加热盘设定的温度要高于所需的温度(如50.0℃),把此时温度计为,读出千分表数值L。
3、重复步骤2,设定温度依次递增5,且递增9次(如依次为55.0℃、60.0℃、65.0℃、70.0℃、75.0℃、80.0℃、85.0℃、90.0℃、95.0℃),随着温度的上升,千分表开始旋转,当温度稳定后,千分表停止动作,记下此时的温度值(、、、、、、、
、)及千分表读数(L、L、L、L、L、L、L、L、L)。
4、用用分组求差法求出温度每升高5℃时铜杆的平均伸长量,由
(2)式即可求出铜杆在这个温区(如50.0℃,95.0℃)内的线胀系数。
五、数据记录
1、测量铜杆的原长L
测量次数
1
2
平均值
L/mm
117.9
117.8
117.87
2、记录对应温度时的千分表读数
50
0.0893
55
0.0989
60
0.1085
65
0.11183
70
0.11282
75
0.11382
80
0.1483
85
0.1586
90
0.1689
95
0.1795
六.数据处理
1.L的测量
有上表可得:
L=111.9mm,117.8mm,117.9mm则其平均值:
L1=117.87mm
UA(L)=0.04A7mmUB(L)=0.058mm
则有UC(L)=0.075mm
2△L的测量
△L1=L6-L1=0.0489mm△L2=L7-L2=0.0494mm△L3=L8-L3=0.0500mm
△L4=L9-L4=0.0506mm△L5=L10-L5=0.0513mm
其平均值:
△L1=0.05004mm
UA(△L)=0.00085mmUB(△L)=0.00058mm
Uc(△L)=0.0011mm
3Ki的测量
由△T=25℃,且据公式得
K1=
K2=
K3=
K4=
K5=
则有平均值:
K1=0.00200
UA(K)=0.000034UB(K)=0.00058UC(K)=0.000581
4△T的测量
由△T恒等于25℃,所以有 UC(△T)=0
5求线胀系数
=====0.0000169
6求标准不确定度
=可推得U()=×
则有U()=0.00000494
结果报道:
=(0.0000169±
0.00000494)
4、实验结论
实验得出=(0.0000169±
0.00000494)与实际(0.0000171)的百分仅1.17%,说明实验结果较好。
5、实验现象说明与注意事项:
由于光盘的物理结构可知,不同颜色的光产生的光谱是弧状的。
而且光盘的结构不是完全的符合反射光栅的结构,故实验结果可能有一定的误差。
注意事项:
此实验关键是找到衍射条纹,按照理应该在两个位置可以找到,但由于实验条件的限制,此实验只做了一侧。
参考文献:
1.杨述武.普通物理实验热学部分(第三版).北京:
高等教育出版社。
2.罗兴垅.力学、热学实验。
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课程设计论文