金属线胀系数的测定 教案

金属线胀系数的测定

1目的

1）学习用电热法测量金属线胀系数；

2）学习利用光杠杆法测量微小长度变化量；

3）掌握图解法处理数据的方法。

2仪器

控温式固体线胀系数测定仪（型号GXC-S）光杠杆尺读望远镜游标卡尺

3实验原理及方法

3.1原理概述

(a)、热膨胀原理：当温度升高时，金属杆的长度会发生变化，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α来描述。即

式中和分别为物体在温度和时的长度，一般固体材料的值很小，所以也很小，因此本实验成功的关键之一就是测准的问题，我们采用光杠杆法测量。

(b)、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）。

(c)、加热器的结构

温度探头是放在样品（铜管）的空腔中的，因此温度探头不能及时测到样品的温度，必须等到样品和空腔中的空气达到热平衡状态时温度计测出的温度才是样品的真实温度。

3.2原理图

从图2可知：

所以可得：=

3.3方法

控温式固体线胀系数测定仪（型号GXC-S）是采用电热法对金属杆进行加热，加热原理如图1。由于电热法有热惯性，所以只有等到温度达到最大时才会有一个短暂的平衡，此时才能读出样品的温度和相应的刻度读数。

由于固体线膨胀幅度很小，所以必须通过放大以后才能测量，这里

用到的是光杠杆放大的方法，原理如图2。

4教学内容

原理和方法

5教学组织及教学要求

1）线胀系数的定义，热传导原理和热平衡原理要讲一下；

2）光杠杆系统的调节和线胀系数仪的操作示范及讲解；卡尺的用法示范。

3）读出与室温相对应的第一组温度和刻度；

4）当温度升到最高时的读数作为测量点，一般波动时间为1-2分钟，之后就会下降。所以一般温度30秒不变就可以读数了。

6实验教学的重点与难点

（一）、重点：

热膨胀原理和热传导原理及热平衡原理，微小变化量测量原理；（二）、难点：

望远镜的调节

1、对称的调节：

调整望远镜使其与光杠杆镜面在同一高度，望远镜上有缺口和准星，从缺口和准星连成的线上瞄准光杠杆镜面的中心看到镜子里有刻度尺的像，这时就说明刻度尺和望远镜互为对称关系，如果没有看到刻度尺的像就要往左或往右移动整个支架直到看到刻度尺的像为止。

2、望远镜的调节：

拿掉镜头盖，调节望远镜的目镜，使十字叉丝清晰，再调节望远镜右侧的调焦旋钮使能看见光杠杆（同时要配合调节望远镜的高度和角度），调节望远镜使十字叉丝的交点在镜子的中心。望远镜右侧的螺丝松开就可以转动望远镜（改变角度），或者上下移动望远镜（改变高度），调好以后把螺丝旋紧就可以固定望远镜。

3、清晰度的调节：

逆时针调节望远镜的调焦旋钮使能看清镜子里刻度的像。调节刻度尺使十字叉丝的交点在零刻度上或附近。

7实验中容易出现的问题

1）找到了镜子却看不到镜子里的像，这有可能是镜面不够竖直或者第一步没调节到位以至于刻度尺和望远镜没有对称。检查问题所在并解

决。

2）开关一直跳（如果跳一两次后不跳就不用管它），那么就把电源开关关掉再重新预置；统一每次都关掉电源再重新预置另一个预置温度，这种情况是可以避免的。

3）温度显示屏上数值不变但单位在闪动，系统紊乱了，那么就把电源开关关掉再重新预置；

4）系统会自动将预置温度变为110度，这时就要重新预置，但为了避免这种情况发生，要常常关注温度的变化。

8实验参考数据

1）样品的长度直接给出：L=49.50cm，H=8.130cm; D=147cm; 温度每隔10度伸长量大约为0.3cm

2）应该将室温和相应的刻度读下来，这样就有七个点，最后一个点根据各人的情况选择测量。要注意最低的的温度和最高的温度大概要相差50度左右。

3）数据处理方法：

作图法，注意要用坐标纸；要讲一下处理方法。

9实验结果检查方法

1）D要用望远镜测距的方法得到，所以只有三个有效数字；

2）H的读数最后位是偶数；并且大约为8cm不会差太多。

10课堂实验预习检查题目

1 实验目的

2 实验仪器

3 实验涉及的物理量和主要的计算公式

4 实验步骤、内容和注意事项

5 数据记录表格（三线格）

11思考题

1）两根材料相同、粗细长度不同的金属杆，在同样的温度变化范围内，线胀系数是否相同？为什么？

2）根据实验的误差计算，分析和判断哪个量对实验的精密度影响最大？为什么？

3）你有什么其他方法来测量长度的微小变化？