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1、金属线胀系数的测定 目录,、概述 、实验原理 、实验步骤 、教学要求 、重点与难点 、预习思考题 、思考与讨论,概述,为了定量的描述固体材料的热胀冷缩特性,在物理学中引进了线胀系数的概念。当温度升高时,一般固体由于其原子或分子的热运动加剧,粒子间的平均距离发生变化,温度越高,其平均距离越大,这就是固体的热膨胀。热膨胀是物质的基本热学性质之一。 物体的热膨胀不仅与物质种类有关,而且对晶体而言,其热膨胀还有各相异性;如石墨受热时,沿某些方向膨胀,而沿另一些方向则收缩。金属是晶体,但由于它们是由许多晶粒构成的,而且这些晶粒在空间方位上的排列是无规则的,所以,金属整体表现出各相同性,或称它们的线膨胀在
2、各个方向均相同。 材料的线膨胀系数的数据是工程设计所需考虑的重要参数之一。比如:在组装电子元件时,组装形态会由于基板受热后的胀缩应力对元件产生影响,如果热膨胀系数不同,这个应力会很大,造成元件接合部电极的剥离,降低产品的可靠性;在制造精密仪器时就要用线膨胀系数很小的材料;当两种材料焊接在一起时就要考虑膨胀系数是否相等或相近,否则一旦温度改变,焊接处就会产生松动或断裂等问题;因此必须对材料的线膨胀系数进行测定。 除了电子工业部门以外,在建筑工程、机械装配等部门中都需要考虑固体材料的热膨胀。所以,测定固体的线膨胀系数有着重要的实际意义。,实验原理,热膨胀原理:当温度升高时,金属杆的长度会发生变化,
3、这种变化可用线胀系数来衡量。当温度变化不大时可用平均线胀系数来描述。即 式中L和L分别为物体在温度t1和t0时的长度,一般固体材料的值很小,所以LL1L也很小,因此本实验成功的关键之一就是测准L的问题,所以本实验用光杠杆放大系统来测量它。 热传导和热平衡原理: 温度总是从高温往低温传递,因此只要存在温差就会有热传导在进行,那么就不会处在平衡的状态。从观察方法来看,当温度不变时就表明系统处于热平衡的状态。只有在平衡状态下测出的温度和刻度才能相对应。 动态平衡:指温度在某一个小范围内波动(一般不超过0.5度)。当温度达到最大时可能会有1-2分钟的平衡。,光杠杆法放大原理,实验步骤,、摆正线胀系数仪
4、,然后将光杠杆放好,调好镜面的竖直度。 、调整镜尺组与光杠杆的距离,然后调整支架的位置使望远镜与标尺互为对称。接着调节望远镜光轴的水平度,调节角度使镜头对准镜子,调节高度使它与镜子等高,再调焦可以分别看到标尺的像和镜子的像。 、结合调节目镜和物镜,使叉丝和标尺的像同时清晰,然后调零。并记下短叉丝对应的刻度值,即B1、B2的值,紧接着按照温度变化规律从低到高分次进行加热,并等待温度达到平衡时记下温度t的值和标尺N的值,切记要断电不要一直加热。 、最后再用游标卡尺测出光杠杆的前后足的距离h的值,注意:要把光杠杆取下来,压在一张白纸上,压出三个足痕,把前两足的足痕连成线,后足描黑,卡尺的刀口一边与前
5、足连线重合,另一边与后足重合,即可。,光杠杆的放置,对称的调节,调零 测B的值,加热方法图示,初始状态,加热状态,加温指示灯亮,停止加热,加温指示灯灭,温度继续上升,在温度下降之前读出最高温度t及与之相对应的N值。,游标卡尺的读数规则,下图所示游标卡尺的主尺读数为12.3cm,游标的读数为0.096cm,所以测量值为12.396cm,教学要求,理解线胀系数的物理意义 理解光杠杆法测量微小变化量的原理 掌握光杠杆放大系统装置的调节方法 掌握用最小二乘法处理数据 用坐标纸作出Nt关系曲线图,重点与难点,重点就是要掌握光杠杆放大系统的测量原理和装置的调节方法。 难点是装置的调节,克服的办法是每一个调节步骤都要做到位。也就是说,如果镜面不竖直就无法调节对称,而调节对称要正确使用准星;如果不对称就无法在望远镜中看到标尺的像;另外,如果望远镜没有对好镜子也无法看到标尺的像。,预习思考题,、公式 成立的条件是什么? 、在用光杠杆法测量L的过程中,怎样才能正确地迅速地从望远镜中找到标尺的像? 、本实验没有直接测出N,那么实验中如何判断N的测量是否正确?,思考与讨论,、本实验中,各个长度量用不同的仪器来测定,是怎样考虑的? 、如果反射镜不竖直,望远镜光轴明显倾斜,对结果有什么影响?,
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