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1、固体线胀系数的测定固体线胀系数的测定 大学物理实验大学物理实验吉林建筑工程学院城建学院吉林建筑工程学院城建学院 各种材料的热胀冷缩的强弱是不同的，为了定量各种材料的热胀冷缩的强弱是不同的，为了定量区分它们，人们找到了表征这种热胀冷缩特性的区分它们，人们找到了表征这种热胀冷缩特性的物理量物理量线胀系数和体胀系数。线胀系数和体胀系数。【实验简介【实验简介】热胀冷缩热胀冷缩 工程结构的设计工程结构的设计 应用应用 机械和仪器的制造机械和仪器的制造 材料的加工材料的加工原因原因 物体内部分子热运动加剧或减弱物体内部分子热运动加剧或减弱【实验目的【实验目的】测定金属的线胀系数，并学习一种测量微小测定金属
2、的线胀系数，并学习一种测量微小长度的方法。长度的方法。【实验原理【实验原理】1材料的线胀系数材料的线胀系数 材料的线膨胀是材料受热膨胀时，在一维方向上材料的线膨胀是材料受热膨胀时，在一维方向上的伸长。的伸长。在一定的温度范围内，固体受热后，其长度会增加，在一定的温度范围内，固体受热后，其长度会增加，设物体原长为设物体原长为 L，由初温，由初温 t1 加热至末温加热至末温 t2，物体伸，物体伸长为长为 物体受热后，其伸长量与温度的增加量成正比，和物体受热后，其伸长量与温度的增加量成正比，和原长也成正比。比例系数称为固体的线胀系数。原长也成正比。比例系数称为固体的线胀系数。2线胀系数的测量线胀系数
3、的测量 线胀系数是选材的一项重要指标，不同材料线胀系数是选材的一项重要指标，不同材料的线胀系数是不同的，塑料的线胀系数最大，其的线胀系数是不同的，塑料的线胀系数最大，其次是金属、殷钢，石英的线胀系数很小，因此，次是金属、殷钢，石英的线胀系数很小，因此，殷钢、石英多被用在精密测量仪器中。殷钢、石英多被用在精密测量仪器中。下表给出了几种材料的线胀系数。下表给出了几种材料的线胀系数。钢钢铁铁铝铝玻璃玻璃 陶瓷陶瓷 殷钢殷钢 石英石英10-510-510-510-610-610-610-7 L是一个微小变化量。以金属为例，若原长是一个微小变化量。以金属为例，若原长为为 300mm，温度变化，温度变化1
4、00，金属的线胀系数，金属的线胀系数 约为约为10-5-1，可以估计出，可以估计出L 0.30mm。考虑到测量方便和测量精度，本实验采用光杠杆法考虑到测量方便和测量精度，本实验采用光杠杆法测量。测量。光杠杆系统是由平面镜及底座，望远镜和标尺光杠杆系统是由平面镜及底座，望远镜和标尺组成的。组成的。（3）由上图可知由上图可知【实验仪器【实验仪器】线胀系数测定仪、光杠杆、望远镜和标尺、线胀系数测定仪、光杠杆、望远镜和标尺、数字温度计、钢卷尺、游标卡尺、待测铜管。数字温度计、钢卷尺、游标卡尺、待测铜管。n【实验内容与步骤【实验内容与步骤】1用钢卷尺测量（一次）待测铜管的原长用钢卷尺测量（一次）待测铜管
5、的原长L后，后，将其放入将其放入线胀系数测定仪的加热线胀系数测定仪的加热金属圆筒金属圆筒中；中；2调节光杠杆的前后足尖的长度调节光杠杆的前后足尖的长度l，将光杠杆的将光杠杆的后足尖置于待测铜管的上端，二前足尖置于固定后足尖置于待测铜管的上端，二前足尖置于固定台上的沟槽中，镜面竖直放置。台上的沟槽中，镜面竖直放置。3在光杠杆前在光杠杆前11.2m处放置望远镜及标尺架，处放置望远镜及标尺架，调节望远镜及标尺架处于水平且与平面镜等高。调节望远镜及标尺架处于水平且与平面镜等高。4调节望远调节望远镜及标尺架的镜及标尺架的位置和望远镜位置和望远镜的仰角，沿望的仰角，沿望远镜轴线方向远镜轴线方向（借助望远镜
6、（借助望远镜上的准星）能上的准星）能通过镜面看到通过镜面看到标尺（实际是标尺（实际是看到标尺在镜看到标尺在镜后的成像）。后的成像）。5调节目镜，看清十字叉丝，调节调焦手轮，看调节目镜，看清十字叉丝，调节调焦手轮，看清标尺的像，并使像与十字叉丝之间无视差，即清标尺的像，并使像与十字叉丝之间无视差，即眼睛上下移动时，标尺与叉丝没有相对移动。眼睛上下移动时，标尺与叉丝没有相对移动。6当金属筒被加热后，待测铜管逐渐伸长，每间隔当金属筒被加热后，待测铜管逐渐伸长，每间隔10记录一次望远镜叉丝横线所对标尺的数值，测记录一次望远镜叉丝横线所对标尺的数值，测量量6到到7个点。个点。1234567t/b/mm
7、7以以t（）为横坐标，）为横坐标，b（mm）为纵坐标，在）为纵坐标，在坐标纸上作出坐标纸上作出t-b关系曲线，求直线斜率关系曲线，求直线斜率k。8用米尺测量（一次）标尺到平面镜间的距离用米尺测量（一次）标尺到平面镜间的距离D。D 9将光杠杆在白纸上轻轻压出三个足尖印痕，用将光杠杆在白纸上轻轻压出三个足尖印痕，用游标卡尺测量（一次）其后足尖到两前足尖连线游标卡尺测量（一次）其后足尖到两前足尖连线的距离的距离l。l 10计算铜管的计算铜管的线胀系数线胀系数【实验结果【实验结果】n【实验报告的要求【实验报告的要求】1实验名称实验名称 2实验仪器实验仪器 3实验目的实验目的 4实验原理及所采用的实验方
8、法实验原理及所采用的实验方法 5实验内容实验内容 6原始数据原始数据 7数据处理数据处理n【注意事项【注意事项】1.1.在测量过程中不能碰动线胀系数测定仪，光杠杆及望在测量过程中不能碰动线胀系数测定仪，光杠杆及望远镜的整个系统（打开加热开关时一定要轻），稍有远镜的整个系统（打开加热开关时一定要轻），稍有碰动实验得从头做起；碰动实验得从头做起；2.2.禁止用手摸反射镜、望远镜的目镜及物镜镜面，实禁止用手摸反射镜、望远镜的目镜及物镜镜面，实验结束后要用镜套把镜面套好；验结束后要用镜套把镜面套好；3.3.用望远镜读出叉丝横线在标尺上的读数用望远镜读出叉丝横线在标尺上的读数b b时，不要压时，不要压桌
9、面；桌面；4.4.该实验在测量读数时是在温度连续变化时进行，因此该实验在测量读数时是在温度连续变化时进行，因此读数时要快而准。读数时要快而准。5.5.实验时应尽量减少走动和震动，保持安静，以免影实验时应尽量减少走动和震动，保持安静，以免影响测量的准确性。响测量的准确性。n【教学要求【教学要求】1测量的数据结果应在规定的范围内；测量的数据结果应在规定的范围内；2多项测量内容都有互相交叉的内容，应考察学多项测量内容都有互相交叉的内容，应考察学生的实验结果是否前后一致；生的实验结果是否前后一致；3考察实验报告的结果是否与原始数据相符。考察实验报告的结果是否与原始数据相符。n【实验重点和难点【实验重点
10、和难点】1固体的体胀系数的理论原理和实验测量方法以固体的体胀系数的理论原理和实验测量方法以及光杠杆原理；及光杠杆原理；2实验数据处理：结果的有效数字、不确定度的实验数据处理：结果的有效数字、不确定度的正确表达；正确表达；3光学系统的调节、升温快慢的掌握、镜面角度光学系统的调节、升温快慢的掌握、镜面角度的变化对读数的影响等。的变化对读数的影响等。n【预习抽查问题与思考题【预习抽查问题与思考题】1.实验中各长度量用不同的仪器来测定，是怎样实验中各长度量用不同的仪器来测定，是怎样考虑的？为什么？考虑的？为什么？2.本实验中本实验中固体的线胀系数固体的线胀系数测量误差的传递公式测量误差的传递公式是什么
11、？主要测量误差有哪些？请估算各测量量是什么？主要测量误差有哪些？请估算各测量量的不确定度。的不确定度。3.材料材料线胀系数线胀系数跟材料的哪些性质有关？跟材料的哪些性质有关？4.本实验的测量公式要求满足哪些实验条件？实本实验的测量公式要求满足哪些实验条件？实验中应如何保证？验中应如何保证？5.安装、调整仪器时应注意什么？安装、调整仪器时应注意什么？6.安调节光杠杆的步骤是什么？怎样判断望远镜安调节光杠杆的步骤是什么？怎样判断望远镜已处于调好状态？其调节步骤如何？已处于调好状态？其调节步骤如何？7.如何判断样品温度是否稳定？若样品温度不稳如何判断样品温度是否稳定？若样品温度不稳定，会对结果产生怎样的影响？定，会对结果产生怎样的影响？THE END！