大學物理實驗-金屬線膨脹系數(shù)的測量

1、1所示（1314實驗室）金屬線膨脹系數(shù)的測量絕大多數(shù)物質都具有“熱脹冷縮”的特性，這是由于物體內部分子熱運動加劇或減弱造成的。這個性 質在工程結構的設計中，在機械和儀器的制造中，在材料的加工（如焊接）中，都應考慮到。否則，將影 響結構的穩(wěn)定性和儀表的精度。考慮失當，甚至會造成工程的損毀，儀表的失靈，以及加工焊接中的缺陷 和失敗等等。一.實驗目的學習測量金屬線膨脹系數(shù)的一種方法。.實驗儀器金屬線膨脹系數(shù)測量實驗裝置、FT-RZT-I數(shù)字智能化熱學綜合實驗平臺、游標卡尺、千分表、待測金屬桿金屬線膨脹系數(shù)測量的實驗裝置如圖FT-RZT-I數(shù)字智能化熱學綜合實驗平臺面板如圖2所示FT-RZT-I數(shù)字智

2、能化熱學綜合實驗平臺圖2三.實驗原理材料的線膨脹是材料受熱膨脹時，在一維方向的伸長。線脹系數(shù)是選用材料的一項重要指標。特別是研制新材料，少不了要對材料線脹系數(shù)做測定。固體受熱后其長度的增加稱為線膨脹。經驗表明，在一定的溫度范圍內，原長為L的物體，受熱后其伸長量 L與其溫度的增加量T近似成正比，與原長 L亦成正比，即L = L T式中的比例系數(shù)稱為固體的線膨脹系數(shù)（簡稱線脹系數(shù)）(1)O大量實驗表明，不同材料的線脹系數(shù)不同，塑料的線脹系數(shù)最大，金屬次之，殷鋼、熔凝石英的線脹系數(shù)很小。殷鋼和石英的這一特性在精密測 量儀器中有較多的應用。幾種材料的線脹系數(shù)材料銅、鐵、鋁普通玻璃、陶瓷殷鋼熔凝石英一一

3、 1數(shù)量級/（ C）約10 5約10 66<2 10約10 7實驗還發(fā)現(xiàn)，同一材料在不同溫度區(qū)域，其線脹系數(shù)不一定相同。某些合金，在金相組織發(fā)生變化的 溫度附近，同時會出現(xiàn)線脹量的突變。因此測定線脹系數(shù)也是了解材料特性的一種手段。但是，在溫度變 化不大的范圍內，線脹系數(shù)仍可認為是一常量。為測量線脹系數(shù)，我們將材料做成條狀或桿狀。由（1）式可知，測量出T1時桿長L （一般，桿在T1時的長度L可以近似等于桿在常溫時的長度）、受熱后溫度達T2時的伸長量L和受熱前后的溫度 T1及T2,則該材料在（T1 , T2）溫區(qū)的線脹系數(shù)為:LLET1)(2)其物理意義是固體材料在 （T1 , T2）溫區(qū)內

4、，溫度每升高一度時材料的相對伸長量，其單位為（C）測線脹系數(shù)的主要問題是如何測伸長量L。而 L是很微小的，如當L=250mm溫度變化T2 T1 =100C,金屬的a數(shù)量級為10 5 （ C） 1時，可估算出L = 0.25mm。對于這么微小的伸長量，用普通量具如鋼尺或游標卡尺是測不準的?？刹捎们Х直恚ǚ侄戎禐?.001mm）、讀數(shù)顯微鏡、光杠桿放大法、光學干涉法。本實驗中采用千分表測微小的線脹量。千分表是一種通過齒輪的多極增速作用，把一微小的位移，轉換為讀數(shù)圓盤上指針的讀數(shù)變化的微小長度測量工具，它白傳動原理如圖3所示，結構如圖4所示，千分表在使用前，都需要進行調零，調零方法是：在測頭無伸縮時

5、，松開“調零固定旋鈕”，旋轉表殼，使主表盤的零刻度對準主指針，然后固定“調零固定旋鈕”。調零好后，毫米指針與主指針都應該對準相應的0刻度。千分表的讀數(shù)方法：本實驗中使用的千分表，其測量范圍是0-1mm=當測桿伸縮0.1mm時，主指針轉動一周，且毫米指針轉動一小格，而表盤被分成了100個小格，所以主指針可以精確到0.1mm的1/100,即0.001mm,可以彳讀至U 0.0001mmio即： 1、，、千分表讀數(shù)二毫米表盤讀數(shù)十 王表盤讀數(shù)（單位：mm1000（毫米表盤讀數(shù)不需要估讀，主表盤讀數(shù)需要估讀）例如：圖5中千分表讀數(shù)為： 0.2+ 59.8=0.2598 mm10005 / 4P:帶齒條

6、的測桿;乙Z5：傳動齒輪;R:讀數(shù)指針圖3圖4圖5四、實驗步驟1 、如圖1所示，卸下三個下盤支撐螺釘，安裝好實驗裝置，連接好電纜線。將銅桿插人加熱盤的恒溫腔，使其完全在恒溫腔內部，將“可調頂緊螺旋”的尖端靠攏銅桿一端，千分表（已調零好）測頭靠攏銅桿的另一端，鎖緊“千分表固定螺釘”，旋動“可調頂緊螺旋”，直到千分表的指針微有旋轉（約 0.20.3mm）。打開電源開關，“測量選擇”開關旋至“設定溫度”檔，調節(jié)“設定溫度粗選”和“設定溫度細選”鈕，選擇設定加熱盤為所需的溫度（如 40.0 C）值。2、將“測量選擇”開關撥向“上盤溫度”檔，打開加熱開關，觀察加熱盤溫度的變化，直至溫度穩(wěn)定，此時加熱盤可

7、能達不到設定溫度，可適當調節(jié)“設定溫度細選”使其溫度達到所需的溫度 （如40.0 C）,這時給加熱盤設定的溫度要高于所需的溫度（如40.0 C）,把此時溫度計為 T1,讀出千分表數(shù)值 L1。3、重復步驟2,將設定溫度依次遞增 5 C,且遞增9次（如依次為45C、50C、55.0C、60OC、65.0C、70.0C、75OC、80.0C、85C）,隨著溫度的上升，千分表開始旋轉，當溫度達到某一設定值后，千分表停止動作，依次記下此時的溫度值（T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10）及千分表相應的讀數(shù)（L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9、L 10）。4、用逐差法求出溫度每

8、升高5c時銅桿的平均伸長量，由（2）式即可求出銅桿在這個溫區(qū)（如40.0C,85.0 C）內的線脹系數(shù)。五、數(shù)據(jù)記錄及處理1、測量銅桿的原長 L測量次數(shù)123平均值L0 (mm)2、記錄對應溫度時的千分表讀數(shù)溫度（C）4045505560千分表讀數(shù)Li （mm）溫度（C）6570758085千分表讀數(shù)Li+5 （ mm）Li+5-Li (mm)5(Li 5 Li)丁1 i 1L Li 5 Li (mm)5L (Li 5 Li)(Li 5 Li) (mm)53、計算得到銅桿的線脹系數(shù)銅桿在（TiC , T10C ）溫區(qū)的線脹系數(shù)為L25L(Li 525L六、注意事項1、千分表安裝須適當固定（以表頭無轉動為準）且與被測物體有良好的接觸（讀數(shù)在0.20.3mm處較 為適宜）；2