金屬線脹系數(shù)測(cè)定

金屬線脹系數(shù)的測(cè)定

目錄１、概述……２２、實(shí)驗(yàn)原理………………３３、實(shí)驗(yàn)步驟………………５４、教學(xué)要求……………１１５、重點(diǎn)與難點(diǎn)…………１２６、預(yù)習(xí)思考題…………１３７、思考與討論…………１４1概述為了定量的描述固體材料的熱脹冷縮特性，在物理學(xué)中引進(jìn)了線脹系數(shù)的概念。當(dāng)溫度升高時(shí)，一般固體由于其原子或分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，粒子間的平均距離發(fā)生變化，溫度越高，其平均距離越大，這就是固體的熱膨脹。熱膨脹是物質(zhì)的基本熱學(xué)性質(zhì)之一。

物體的熱膨脹不僅與物質(zhì)種類有關(guān)，而且對(duì)晶體而言，其熱膨脹還有各相異性；如石墨受熱時(shí)，沿某些方向膨脹，而沿另一些方向則收縮。金屬是晶體，但由于它們是由許多晶粒構(gòu)成的，而且這些晶粒在空間方位上的排列是無(wú)規(guī)則的，所以，金屬整體表現(xiàn)出各相同性，或稱它們的線膨脹在各個(gè)方向均相同。

材料的線膨脹系數(shù)的數(shù)據(jù)是工程設(shè)計(jì)所需考慮的重要參數(shù)之一。比如：在組裝電子元件時(shí)，組裝形態(tài)會(huì)由于基板受熱后的脹縮應(yīng)力對(duì)元件產(chǎn)生影響，如果熱膨脹系數(shù)不同，這個(gè)應(yīng)力會(huì)很大，造成元件接合部電極的剝離，降低產(chǎn)品的可靠性；在制造精密儀器時(shí)就要用線膨脹系數(shù)很小的材料；當(dāng)兩種材料焊接在一起時(shí)就要考慮膨脹系數(shù)是否相等或相近，否則一旦溫度改變，焊接處就會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)或斷裂等問(wèn)題；因此必須對(duì)材料的線膨脹系數(shù)進(jìn)行測(cè)定。

除了電子工業(yè)部門以外，在建筑工程、機(jī)械裝配等部門中都需要考慮固體材料的熱膨脹。所以，測(cè)定固體的線膨脹系數(shù)有著重要的實(shí)際意義。2實(shí)驗(yàn)原理熱膨脹原理：當(dāng)溫度升高時(shí)，金屬桿的長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化，這種變化可用線脹系數(shù)來(lái)衡量。當(dāng)溫度變化不大時(shí)可用平均線脹系數(shù)α來(lái)描述。即

式中L１和L０分別為物體在溫度t1和t0時(shí)的長(zhǎng)度，一般固體材料的α值很小，所以ΔL＝L1－L０也很小，因此本實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵之一就是測(cè)準(zhǔn)ΔL的問(wèn)題，所以本實(shí)驗(yàn)用光杠桿放大系統(tǒng)來(lái)測(cè)量它。熱傳導(dǎo)和熱平衡原理：溫度總是從高溫往低溫傳遞，因此只要存在溫差就會(huì)有熱傳導(dǎo)在進(jìn)行，那么就不會(huì)處在平衡的狀態(tài)。從觀察方法來(lái)看，當(dāng)溫度不變時(shí)就表明系統(tǒng)處于熱平衡的狀態(tài)。只有在平衡狀態(tài)下測(cè)出的溫度和刻度才能相對(duì)應(yīng)。動(dòng)態(tài)平衡：指溫度在某一個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng)（一般不超過(guò)0.5度）。當(dāng)溫度達(dá)到最大時(shí)可能會(huì)有1-2分鐘的平衡。

3光杠桿法放大原理4實(shí)驗(yàn)步驟１、擺正線脹系數(shù)儀，然后將光杠桿放好，調(diào)好鏡面的豎直度。２、調(diào)整鏡尺組與光杠桿的距離，然后調(diào)整支架的位置使望遠(yuǎn)鏡與標(biāo)尺互為對(duì)稱。接著調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸的水平度，調(diào)節(jié)角度使鏡頭對(duì)準(zhǔn)鏡子，調(diào)節(jié)高度使它與鏡子等高，再調(diào)焦可以分別看到標(biāo)尺的像和鏡子的像。３、結(jié)合調(diào)節(jié)目鏡和物鏡，使叉絲和標(biāo)尺的像同時(shí)清晰，然后調(diào)零。并記下短叉絲對(duì)應(yīng)的刻度值，即B1、B2的值，緊接著按照溫度變化規(guī)律從低到高分次進(jìn)行加熱，并等待溫度達(dá)到平衡時(shí)記下溫度t的值和標(biāo)尺N的值，切記要斷電不要一直加熱。４、最后再用游標(biāo)卡尺測(cè)出光杠桿的前后足的距離h的值，注意：要把光杠桿取下來(lái)，壓在一張白紙上，壓出三個(gè)足痕，把前兩足的足痕連成線，后足描黑，卡尺的刀口一邊與前足連線重合，另一邊與后足重合，即可。5光杠桿的放置6對(duì)稱的調(diào)節(jié)7調(diào)零測(cè)B的值8加熱方法圖示初始狀態(tài)加熱狀態(tài)，加溫指示燈亮停止加熱，加溫指示燈滅，溫度繼續(xù)上升，在溫度下降之前讀出最高溫度t及與之相對(duì)應(yīng)的N值。9游標(biāo)卡尺的讀數(shù)規(guī)則

下圖所示游標(biāo)卡尺的主尺讀數(shù)為12.3cm，游標(biāo)的讀數(shù)為0.096cm，所以測(cè)量值為12.396cm10教學(xué)要求理解線脹系數(shù)的物理意義理解光杠桿法測(cè)量微小變化量的原理掌握光杠桿放大系統(tǒng)裝置的調(diào)節(jié)方法掌握用最小二乘法處理數(shù)據(jù)用坐標(biāo)紙作出N－t關(guān)系曲線圖11重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)就是要掌握光杠桿放大系統(tǒng)的測(cè)量原理和裝置的調(diào)節(jié)方法。難點(diǎn)是裝置的調(diào)節(jié)，克服的辦法是每一個(gè)調(diào)節(jié)步驟都要做到位。也就是說(shuō)，如果鏡面不豎直就無(wú)法調(diào)節(jié)對(duì)稱，而調(diào)節(jié)對(duì)稱要正確使用準(zhǔn)星；如果不對(duì)稱就無(wú)法在望遠(yuǎn)鏡中看到標(biāo)尺的像；另外，如果望遠(yuǎn)鏡沒(méi)有對(duì)好鏡子也無(wú)法看到標(biāo)尺的像。12預(yù)習(xí)思考題１、公式成立的條件是什么?２、在用光杠桿法測(cè)量ΔL的過(guò)程中，怎樣才能正確地迅速地從望遠(yuǎn)鏡中找到標(biāo)尺的像？３、本實(shí)驗(yàn)沒(méi)有直