實(shí)驗(yàn)3 光杠桿法測(cè)金屬線膨脹系數(shù)

實(shí)驗(yàn)六金屬線膨脹系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)物質(zhì)內(nèi)部的分子都處于不停地運(yùn)動(dòng)且強(qiáng)弱不同，造成絕大多數(shù)材料都表現(xiàn)出熱脹冷縮的特性。人們?cè)诠こ探Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，例如在房屋、鐵路、橋梁、機(jī)械和儀器制造、材料的焊接等行業(yè)中一定要考慮到這一因素，如果忽略這一特性，將造成工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，嚴(yán)重的可造成損毀，使儀表失靈以及在材料焊接中引起缺陷等。線膨脹系數(shù)的測(cè)定在工程技術(shù)中是非常重要的，本實(shí)驗(yàn)的目的主要是利用GXZ－2型金屬線膨脹系數(shù)測(cè)定儀測(cè)定不同金屬的線膨脹系數(shù)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?．掌握GXZ－2型金屬線膨脹系數(shù)測(cè)定儀的原理和使用方法。2．測(cè)量鐵和銅兩種金屬材料的線膨脹系數(shù)。3．學(xué)會(huì)使用最小二乘法。實(shí)驗(yàn)儀器：GXZ－2型金屬線膨脹系數(shù)測(cè)定儀，望遠(yuǎn)鏡，標(biāo)尺照明器，PID恒溫控制器，溫度傳感器，直尺注：（測(cè)溫的范圍：室溫～100°C，加熱電壓實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)采用GXZ－2型金屬線膨脹系數(shù)測(cè)定儀利用電熱法及光杠桿原理測(cè)定金屬線膨脹系數(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定克服了汽熱法溫度場(chǎng)不均勻、誤差大等缺點(diǎn)。用此儀器測(cè)量管材的線膨脹系數(shù)，其誤差不超過(guò)3％。材料的線膨脹系數(shù)各種材料熱脹冷縮的強(qiáng)弱是不同的，為了定量區(qū)分它們，人們找到了表征這種熱脹冷縮特性的物理量，線膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)。本實(shí)驗(yàn)只測(cè)量線膨脹系數(shù)。線膨脹是材料在受熱膨脹時(shí)，在一維方向上的伸長(zhǎng)。在一定的范圍內(nèi)，固體受熱后，其長(zhǎng)度都會(huì)增加，設(shè)物體原長(zhǎng)為L(zhǎng)，由初溫t1°C加熱到末溫t2°ΔL＝αL（t2－t1）（1）α＝（2）上式表明，物體受熱后生長(zhǎng)量與溫度的增長(zhǎng)量成正比，和原長(zhǎng)也成正比。比例系數(shù)α稱為固體的線膨脹系數(shù)。線膨脹系數(shù)的測(cè)量線膨脹系數(shù)是選用材料時(shí)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)表明，不同材料的線膨脹系數(shù)是不同的，塑料的線膨脹系數(shù)最大，其次是金屬、殷鋼，熔凝石英的線膨脹系數(shù)很小。人們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，同一材料在不同的溫度區(qū)段，其線膨脹系數(shù)是不同的，例如某些合金，在金相組織發(fā)生變化的溫度附近，會(huì)出現(xiàn)線膨脹量的突變。但在溫度變化不大的范圍內(nèi)，線膨脹系數(shù)仍然是一個(gè)常量。因此，線膨脹系數(shù)的測(cè)定是人們了解材料特性的一種重要手段。在設(shè)計(jì)任何要經(jīng)受溫度變化的工程結(jié)構(gòu)（如橋梁、鐵路等）時(shí)，必須采取措施防止熱脹冷縮的影響。在式（1）中，ΔL是一個(gè)很小的變化量，以金屬為例，若原長(zhǎng)L＝300mm，溫度變化t2－t1＝100°C，金屬的線膨脹系數(shù)α約為10－5°C-1，估計(jì)Δ光杠桿的系統(tǒng)是由平面鏡及鏡座，望遠(yuǎn)鏡和直尺組成的。光杠桿放大原理圖如圖1所示。當(dāng)金屬桿伸長(zhǎng)時(shí)，從望遠(yuǎn)鏡中可讀出待測(cè)桿伸長(zhǎng)前后十字光標(biāo)所對(duì)標(biāo)尺的讀書為b1和b2，這時(shí)有：（3）將（3）帶入（2），則有：（4）圖1光杠桿原理圖實(shí)驗(yàn)步驟1.安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備。將溫度控制器和線膨脹系數(shù)測(cè)定儀通過(guò)溫度傳感器連接起來(lái)。即將溫度傳感器插入被測(cè)管的孔中。將傳感器的導(dǎo)線端插入溫度傳感器的插孔中。將平面反光鏡放在線膨脹系數(shù)測(cè)定儀的指定位置，注意要保證小鐵鉤與被測(cè)物接觸。將望遠(yuǎn)鏡和標(biāo)尺照明器分別固定在望遠(yuǎn)鏡直橫尺基座桿上。且保證望遠(yuǎn)鏡的鏡頭端面與標(biāo)尺照明器的刻度相平行。同時(shí)目測(cè)使望遠(yuǎn)鏡的高度和平面反光鏡的高度基本在同一水平面上。2.將溫度控制器的插座和標(biāo)尺照明器的插頭插在電源插座上。3.目測(cè)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的位置，即可以在望遠(yuǎn)鏡的旁邊觀察對(duì)面的平面鏡，讓另一位同學(xué)不斷調(diào)節(jié)平面鏡的俯仰角，直到看到光亮為止。4.調(diào)節(jié)用于固定望遠(yuǎn)鏡的螺母，直到通過(guò)望遠(yuǎn)鏡可以看到光亮為止。然后再調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡微調(diào)旋鈕，直到可以清楚的看到標(biāo)尺的刻度為止。5.調(diào)節(jié)可控望遠(yuǎn)鏡仰角的旋鈕使望遠(yuǎn)鏡的十字光標(biāo)剛好與標(biāo)尺刻度線重合。（注意：如果望遠(yuǎn)鏡中亮光視場(chǎng)不完整時(shí)，要重新調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡仰角旋鈕，使望遠(yuǎn)鏡中亮光視場(chǎng)完整。）6.讀出十字光標(biāo)在直尺上的讀書b1，記錄初溫t1，打開(kāi)加熱開(kāi)關(guān)，使溫度達(dá)到指定溫度T1附近，記下實(shí)際溫度t2和此時(shí)標(biāo)尺刻度為b2。每隔20°C記一次b的值，直到達(dá)到7.測(cè)量平面反光鏡與標(biāo)尺照明器的刻度面的距離D，將光杠桿在白紙上輕輕壓出三個(gè)足尖印痕，用游標(biāo)卡尺測(cè)量其前后足尖連線的距離l。注意事項(xiàng)：1.做完實(shí)驗(yàn)后要將平面反光鏡取下放在桌子上。將溫度控制器的加熱開(kāi)關(guān)和電源開(kāi)關(guān)關(guān)閉，并將其與電源斷開(kāi)。2.做完一次實(shí)驗(yàn)之后要等到線膨脹系數(shù)測(cè)定儀及待測(cè)金屬管冷卻到室溫之后才能進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。3.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要使實(shí)際溫度在設(shè)定溫度附近并且能穩(wěn)定1～2分鐘后再進(jìn)行讀數(shù)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1．至少測(cè)三組數(shù)據(jù)。2．以t為橫坐標(biāo)，b為縱坐標(biāo)作出b—t關(guān)系曲線，求直線斜率k，并由