固体线膨胀系数测定及改进方案
固体线膨胀系数的测定实验报告
固体线膨胀系数的测定实验报告
目录
1. 实验目的
1.1 实验原理
1.1.1 线膨胀系数的概念
1.1.2 线膨胀系数的计算公式
1.2 实验器材
1.3 实验步骤
1.4 实验结果分析
1.5 实验结论
实验目的
通过测定固体线膨胀系数的实验，掌握固体在温度变化下的膨胀规律，了解物体在不同温度下的变化情况。
实验原理
线膨胀系数的概念
线膨胀系数是一个物体在单位温度变化下长度变化的比例系数，通常
表示为α。
线膨胀系数的单位为℃^-1。
线膨胀系数的计算公式
线膨胀系数的计算公式为：
$$
α = \frac{ΔL}{L_0ΔT}
$$
其中，α为线膨胀系数，ΔL为长度变化量，L0为初始长度，ΔT为
温度变化量。
实验器材
1. 物体（例如金属杆）
2. 尺子
3. 温度计
4. 烧杯
5. 热水
实验步骤
1. 测量物体的初始长度并记录为L0。
2. 将物体放入热水中，让其温度升高。
3. 使用温度计测量热水的温度变化ΔT。
4. 测量物体在热水中的长度变化量ΔL。
5. 根据公式计算出线膨胀系数α。
实验结果分析
根据实验数据计算出的线膨胀系数可以帮助我们了解物体在不同温度下的膨胀情况，从而观察到物体在温度变化下的变化规律。
实验结论
通过本次实验，我们成功测定了固体线膨胀系数，并对物体在温度变化下的膨胀规律有了更深入的了解。
这对于工程领域的材料选择和设计具有重要意义。
固体线胀系数测定实验
固体线胀系数测定实验一般物质都有热胀冷缩的特性，在相同的条件下，不同的金属其膨胀程度是不同的，通常用单位长度的膨胀率来描述金属的膨胀特性。
线膨胀系数的测定，关键是测量金属受热后微小长度的变化，本实验用固体线膨胀系数测定仪测量不同样品的线膨胀系数。
【实验目的】1．学习温度传感器的使用；2．测定不同材料的线膨胀系数。
【实验原理】在一定温度范围内，原长为L的物体受热后伸长量L，它与温度的增加量近似成正比，与原长也成正比，即：式中为固体的线膨胀系数，它是固体材料的热学性质之一。
实验证明，不同材料的线膨胀系数是不同的。
本实验可对铁棒、铜棒、铝棒进行实验。
恒温控制仪使用说明：1）当面板电源接通数字显示为“FdHc”表示本公司产品，随后即自动转向“A××．×”表示当时传感器温度，显示“b”表示等待设定温度。
2）按升温键，数字即由零逐渐增大至用户所需的设定值，最高可选80度。
3）如果数字显示值高于用户所需要的温度值，可按降温键。
直至用户所需要的设定值。
4）当数字设定值达到用户所需的值时，即可按确定键，开始对样品加热，同时指示灯亮，发光频闪与加热速率成正比。
5）确定键的另一用途可作选择键，可选择观察当时的温度值和先前设定值。
6）用户如果需要改变设定值可按复位键，重新设置。
【实验器材】线膨胀系数测定仪。
【实验内容】1．接通电加热器与温控仪输入输出接口和温度传感器的航空插头。
2．旋松千分表固定螺栓，转动固定架至使被测样品（直径8mm，长400mm金属棒）能插入特厚壁紫铜管内，再插入不良导热体（不锈钢）用力压紧后转动固定架，在安装千分表架时注意被测物体与千分表头保持在同一直线。
3．将千分表安装在固定架上，并且扭紧螺栓，不使千分表转动，再向前移动固定架，使千分表读数值在0.2-0.3mm处，固定架给予固定。
然后稍用力压一下千分表滑络端，使它能与绝热体有良好的接触，再转动千分表圆盘读数为零。
4．接通温控仪的电源，设定需加热的值，一般设置为50，55，60度等，按确定键开始加热。
实验三 固体线膨胀系数的测定
实验三 固体线膨胀系数的测量【实验目的】1．了解热膨胀现象。
2．测量固体线膨胀系数。
【实验仪器】EH-3型热学实验仪，铜棒，铁棒，千分表。
【实验原理】大部分物质在一定温度范围内都呈现“热胀热缩”的宏观现象。
就晶体状固体模型而言，这是因为物质中相邻粒子间的平均距离随温度的升高而增大引起的。
两相邻粒子间的势能是它们之间距离的函数，其关系可用势能曲线描绘如图3-1。
在一定的温度下，粒子在其平衡位置r o 附近做热振动，具有一定的振动能量E 。
由于势能曲线的非对称性，热振动时的平均距离r 大于平衡距离r o 。
若温度升高（T 1、T 2），振动能量增加（E 1、E 2），则两原子之间的平均距离也增大（r 1、r 2），随之固体的体积膨胀。
因此，热膨胀现象是物体的势能曲线的非对称特性的必然结果。
固体的任何线度（长度、宽度、厚度、直径等）随温度的变化，都称为线膨胀。
对于各向同性的固体，沿不同方向的线膨胀系数相同；对于各向异性的固体，沿不同的晶轴方向，其线膨胀系数不同。
实验表明，原长度为L 的固体受热后，其相对伸长量正比温度的变化，即： αt L L ∆=∆ 式中，比例系数a 称为固体的线膨胀系数，对于一种确定的固体材料，它是一个确定的常数。
设温度在0℃时，固体的长度为L 0，当温度升高时，其长度为L t 。
t L L L t α=-00 （3-1） L t = L 0（1+αt ）。
（3-2）若在温度t 1和t 2时，固体的长度分别为L 1，L 2，则根据式（3-2）或写出L 1=L 0（1+αt 1）， （3-3）L 2=L 0（1+αt 2）， （3-4）将式（3-3）代入式（3-4）化简后得图3-1 势能曲线⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-∆=∂11221t L L t L L （3-5） 由于L 1与L 2非常接近，故L 2/ L 1≈1，于是式（3-5）可简写成 ()121t t L L -∆=α （3-6） 只要测出L 1，ΔL 和t 1，t 2就可以求出α值。
固体热膨胀系数测量 实验报告
固体热膨胀系数测量实验报告固体热膨胀系数测量-实验报告大学物理模拟实验年月日一实验项目名称：固体热膨胀系数测量一、实验目的1.掌握测量固体线热膨胀系数的基本原理。
2.掌握大学物理仿真实验软件的基本操作方法。
3.测量铜棒的线热膨胀系数。
4.学会用图解法处理实验数据。
二、实验原理1.材料的热膨胀系数各种材料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物理量，线胀系数和体胀系数。
线性膨胀是材料在加热和膨胀时在一维方向上的伸长。
在一定的温度范围内，加热后固体的长度会增加。
假设物体的原始长度为l，物体从初始温度T1加热到最终温度T2，物体被拉长△ 五十、然后上式表明，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al称为固体的线胀系数。
体积膨胀是加热时材料体积的增加，即材料在三维方向上的增加。
体积膨胀系数定义为在压力不变的条件下，温度升高1k所引起的物体体积的相对变化，用av表示。
即二一般情况下，固体的体胀系数av为其线胀系数的3倍，即av=3al，利用已知AV和△ T、我们可以测量液体的体积膨胀系数AV。
2.线膨胀系数的测量线膨胀系数是选用材料时的一项重要指标。
实验表明，不同材料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、熔凝石英的线胀系数很小，由于这一特性，殷钢、石英多被用在精密测量仪器中。
表1.2.1-1给出了几种材料的线胀系数。
几种材料的线性热膨胀系数材料al/℃钢-5铁-5铝-5玻璃-6陶瓷-6熔凝石英-7101010101010人们在实验中发现，同一材料在不同的温度区域，其线胀系数是不同的，例如某些合金，在金相组织发生变化的温度附近，会出现线胀系数的突变。
但在温度变化不大的范围内，线胀系数仍然是一个常量。
因此，线胀系数的测量是人们了解材料特性的一种重要手段。
在设计任何要经受温度变化的工程结构（如桥梁、铁路等）时，必须采取措施防止热胀冷缩的影响。
固体线胀系数实验报告
固体线胀系数实验报告大学物理实验报告__材料与能源_____学院____能源与动力工程_______专业___1____班学号__xxxx__姓名___黄智向___（合作者__________）实验日期_2021.7.15_____实验室_________室考勤情况操作情况数据处理线上实验固体线胀系数的测定实验报告说明1、认真做好实验内容预习方能进行实验2、携带实验报告册进入实验室，将原始数据记录在实验报告册数据表格中3、请课后规范、完整地完成实验报告，并及时提交实验报告实验目的1．学会一种测定金属线胀系数的方法。
2．掌握和巩固光杠杆法测量长度微小变化量的原理和方法。
3．学会用最小二乘法处理数据。
实验仪器电子虚拟实验室：固体线胀系数测定仪（包括温度计及夹子，待测金属棒），光杠杆，尺读望远镜，钢卷尺，游标卡尺)序号成绩评定教师签名实验原理设金属棒在温度otC0时的长度为oL，当其温度上升到tC0时，它的长度tL 可由下式表示：tL=oottL 1（1）式中，即为该物体的线胀系数。
可将式（1）改写成：oooootttLLttLLL（2）由此可见，线胀系数的物理意义是温度每升高1Co时物体的伸长量L与原长之比。
一般随温度有微小的变化，但在温度变化不太大时，可把它当作常量。
由式（2）可以看出，测量线胀系数的关键是准确测量长度的微小变化量L。
我们先粗略估算一下L的大小。
若mm500Lo，温度变化Ctto100，金属线胀系数的数量级为15C10，则可估算出mm50.0L。
对于这么微小的长度变化量，用普通量具如钢尺和游标卡尺无法进行精确测量，一般采用千分表法（分度值为0.001mm），光杠杆法，光学干涉法等。
本实验采用光杠杆法，整套实验装置由固体线胀系数测定仪，光杠杆和尺读望远镜等几部分组成，如图1所示。
图1测定固体线胀系数的实验装置光杠杆测微小长度改变量的原理：参照图2，假定开始时光杠杆平面镜M的法线ono在水平位置，则标尺S上的标度线no发出的光通过平面镜M反射进入望远镜，在望远镜中形成no的象而被观察到。
固体线膨胀系数的测定
固体线膨胀系数的测定绝大多数物质具有热胀冷缩的特性，在一维情况下，固体受热后长度的增加称为线膨胀。
在相同条件下，不同材料的固体，其线膨胀的程度各不相同，我们引入线膨胀系数来表征物质的膨胀特性。
线膨胀系数是物质的基本物理参数之一，在道路、桥梁、建筑等工程设计，精密仪器仪表设计，材料的焊接、加工等各种领域，都必须对物质的膨胀特性予以充分的考虑。
【实验目的】1、学习测量固体线膨胀系数的一种方法。
2、了解一种位移传感器——数字千分表的原理及使用方法。
3、了解一种温度传感器——AD590的原理及特性。
4、通过仪器的使用，了解数据自动采集、处理、控制的过程及优点。
5、学习用最小二乘法处理实验数据。
【实验原理】1、线膨胀系数设在温度为t1时固体的长度为L1，在温度为t2时固体的长度为L2。
实验指出，当温度变化范围不大时，固体的伸长量△L= L2－L1与温度变化量△t= t2－t1及固体的长度L1成正比。
即：△L=αL1△t (1)式中的比例系数α称为固体的线膨胀系数，由上式知：α=△L/Ll·1/△t (2)可以将α理解为当温度升高1℃时，固体增加的长度与原长度之比。
多数金属的线膨胀系数在(0.8—2.5)×10-5/℃之间。
线膨胀系数是与温度有关的物理量。
当△t很小时，由（2）式测得的α称为固体在温度为t1时的微分线膨胀系数。
当△t是一个不太大的变化区间时，我们近似认为α是不变的，由（2）式测得的α称为固体在t1—t2温度范围内的线膨胀系数。
由（2）式知，在L1已知的情况下，固体线膨胀系数的测量实际归结为温度变化量△t与相应的长度变化量△L的测量，由于α数值较小，在△t不大的情况下，△L也很小，因此准确地测量△L及t是保证测量成功的关键。
2、微小位移的测量及数字千分表测量微小位移，以前用得最多的是机械百分表，它通过精密的齿条齿轮传动，将位移转化成指针的偏转，表盘最小刻度为0.01mm，加上估读，可读到0.001mm，这种百分表目前在机械加工行业仍广泛使用。
固体线热膨胀系数的测定 -回复
固体线热膨胀系数的测定
固体的线热膨胀系数是描述固体在温度变化下长度变化的物理量。
测定固体线热膨胀系数的方法有几种常用的实验方法，其中包括：线膨胀测量法：这是最常用的方法之一。
它通过测量材料在不同温度下的长度变化来确定线热膨胀系数。
实验中，可以使用一个恒温器将样品加热或冷却到不同温度，并使用一个精密测量仪器（如游标卡尺）测量样品长度的变化。
根据测得的数据，可以计算出线热膨胀系数。
光学干涉法：这种方法利用光学干涉原理来测量固体在不同温度下的长度变化。
实验中，可以使用一束激光或白光通过材料，然后通过干涉现象来观察和测量样品表面上形成的干涉条纹。
根据干涉条纹的移动情况，可以计算出线热膨胀系数。
管道法：这种方法适用于较长且细长的材料（如管道）。
实验中，可以将样品放置在一个管道中，并通过在管道内流动的液体或气体来控制样品的温度。
通过测量管道的长度变化和温度变化，可以计算出线热膨胀系数。
需要注意的是，在进行固体线热膨胀系数测定时，应尽量减小实验误差，并根据具体材料和实验条件选择合适的方法。
此外，还应遵循实验安全操作规范，并确保实验设备和仪器的准确性和精度。
固体线热膨胀系数的测定实验报告
固体线热膨胀系数的测定【实验目的】材料的线膨胀指的是材料受热后一维长度的伸长。
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。
对金属晶体而言，由于它们是由许多晶粒构成的，这些晶粒在空间方位上排列是无规则的，整体表现出各相同性。
它们的线膨胀在各个方向均相同。
虽然固体的热膨胀非常微小，但使物体发生很小形变时就需要很大的应力。
在建筑工程、机械装配、电子工业等部门中都需要考虑固体材料的热膨胀因素。
因此固体线胀系数是选择材料的一项重要指标,测定固体的线膨胀系数具有重要的实际意义。
1. 掌握测量固体线热膨胀系数的基本原理。
测量铁、铜、铝棒的线热膨胀系数。
2. 学会使用千分表，掌握温度控制仪的操作。
3. 学习图解图示法处理实验数据。
【实验原理】设为物体在温度时的长度，则该物体在时的长度可由下式表示：(1)其中，为该物体的线膨胀系数，在温度变化不大时，可视为常数。
将式(23-1)改写为：(2)可见，的物理意义为：温度每升高时物体的伸长量与它在时的长度之比，单位为：或。
实际测量中，一般只能测得材料在温度及时的长度及，设是常量，则有：(3)由式(6)即可求得物体在温度之间的平均线膨胀系数。
其中，微小长度变化量可直接用千分表测量。
本实验对金属铁、铜、铝进行测量求出不同金属的线膨胀系数。
【实验仪器】FD-LEA固体线热膨胀系数测定仪（一套）、（电加热箱、千分表、温控仪）金属棒、电源线、加热线、传感器及电缆仪器介绍1.千分表是一种测定微小长度变化量的仪表，其外形结构如图1所示。
外套管Ｇ用以固定仪表本身；测量杆Ｍ被压缩时，指针Ｈ转过一格。
而指针Ｐ则转过一周，表盘上每周等分小格，每小格即代表0.001ｍｍ，千分表亦由此得名。
图1千分表2.FD-LEA固体线热膨胀系数测定仪由电加热箱和温控仪两部分组成。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
固体线膨胀系数测定及改进方案
毕业生:王哲1311636
指导教师:李忠
摘要：本文主要了解金属热膨胀现象，记录测金属杆线膨胀系数的方法，学习掌握用光杠杆测微小长度变化。
并用固体线膨胀系数测定仪，光杠杆，望远镜及标尺等多元器件来进行光杠杆实验测定。
绝大数物质具有热涨冷缩的特性，在一维情况下，固体受热情况下长度进行增加称为线增加。
在相同的条件下，不同材料的固体，其线性程度不同，我们引用线膨胀系数来表明固体的膨胀特性，是基本的物理参数之一，在建筑，桥梁工程，精密仪器，材料焊接等诸多实际生活中得到广泛应用。
关键词：热膨胀，线膨胀，光杠杆
Abstract:In this paper, we understand the metal thermal expansion phenomenon, record the method of measuring the alignment pole coefficient of expansion, learning to master the length of the light lever to measure tiny changes. With solid linear expansion coefficient apparatus, optical lever, binoculars and rod and other components for more than the experimental measurement.
The vast number of material has the characteristics of the heat from the cold, in one dimensional case, the solids by increasing called line length. Under the same conditions, different materials of solid, its linear degree is different, we quoted to show solid linear expansion coefficient of expansion feature, is one of the basic physical parameters in construction, bridge engineering, precision instruments, welding materials, and many other widely used in practical life.
Key words：Thermal expansion ，linear expansion，Optical lever
1.引言
物理名词，有时也称为线弹性系数（linear expansivity），表示材料膨胀或收缩的程度。
分为某一温度点的线膨胀系数和某一温度区间的线膨胀系数，后者称为平均线膨胀系数。
前者是单位长度的材料每升高一度的伸长量；平均线膨胀系数是单位长度的材料在某一温度区间，每升高一度温度的平均伸长量。
线膨胀系数随温度变化的规律类似于热容的变化。
a值在很低温度时很小，随温度升高而很快增加，在德拜特征温度以上时趋向于常数。
线膨胀系数的绝对值与晶体结构和键强度密切相关。
键强度高的材料具有低的线膨胀系数。
相对金属材料，耐火材料的键强大，线膨胀系数小。
一般氧化物的α值在(8～15)×10K 范围，二元硅酸盐物质的α值一般在(5．2～10)×10K碳化物的a值为(5～7)×10K金刚石为1×1010K石英玻璃则由于其结构松弛，结构中四面体的线膨胀能为结构中的空隙所容纳，而具有极小的a值(0．5×1010K非等轴晶体沿不同晶轴的a值不同，尤其是石墨这类层状结构的物质。
石墨的层内结合力强，层向a 值很小(1×1010K)，层间结合力很弱，层间方向a值高达27×10K对于具有很强的非等轴性的晶体，某一方向上的n值可能为负数。
由各向异性多晶体组成的耐火材料和由各相a值不同的多相多晶体组成的耐火材料，在烧成冷却过程中材料
另一部分；利用光杠杆来测量微小程度的变化，利用光反射的原理，把微小长度的变化显示在游标卡尺的读数变化，反应灵闵，简便可靠。
光杠杆有微小镜面，下面有三只引脚，水平放置在仪器台上于此同时测量转角的大小可获得伸长量大小。
以下为实验装置图：3.1
如图3.2所示，当温度升高时，金属杆线度变大，伸长△Ｌ，这时光杠杆镜面向前倾角Φ，既有ｔｇΦ＝△Ｌ／Ｋ，Ｋ为光杠杆的后脚的垂直距离。
实验原理图3.2
金属杆在未发生膨胀之前，在望远镜里的读数为ｎ１，待测固体受热膨胀△Ｌ即光杠杆转过Φ角之后，读数Φ2，取两次读数的差Ｎ＝ｎ２－ｎ１，根据反射光定律，反射线将转过2Φ角，设Ｄ为标尺到镜杆的距离，则有ｔｇ2Φ＝Ｎ/Ｄ，因为△Ｌ很小。
由此得出结论：2△Ｌ/ｋ＝Ｎ／Ｄ导出△Ｌ＝ｋ（ｎ２－ｎ１）/2Ｄ
4.实验的内容与步骤
（1）仪器调节：实验装置图如图3.1所示。
实验时，将待测金属棒直立在线胀系数测定仪的金属圆筒中，棒的下端要和基座紧密相连，上端露出筒外，装好温度计，将光杠杆的后足尖置于金属棒的上端，二前足尖置于固定台上。
在光杠杆前1m左右放置望远镜及直尺。
调节望远镜，直到看清楚平面镜中直尺的像，反复调节，使标尺成像清晰，且叉丝也清晰，并使像与叉丝之间无视差，即眼睛上下移动时，标尺与叉丝没有相对移动；
（2）如果线胀仪采用电加热，测量可从室温开始，每间隔10摄氏度计一次t
和N的值，直到t1达70摄氏度。
然后ｔ２加温到90度，然后逐渐降温，重复测以上数据；
（3）测量标尺到平面镜间水平距离为D，将光杠杆在白纸上轻轻压出三个足尖印痕，用游标卡尺测量其后足尖到两前足尖连线的距离b；
（4）以t为横坐标,N为纵坐标作出N-t关系曲线,求直线斜率k,并由此计算；
（5）把望远镜尺组放在离光杆镜面的1.5米处，尽量使望远镜和光杠杆等高，各项中心都同一光轴水平。
使实验准确并消除视差；
（6）切断电源停止加热，测量标尺与小镜面的距离Ｄ。
然后取下光杠杆，并测量游标卡尺量出前后脚之间的垂直距离Ｋ。
5.实验结果
根据以上数据用公式：Ɑ＝Ｋ（ｎ２－ｎ１）/2ＤＬ（ｔ２－ｔ１）
2△Ｌ/ｋ＝Ｎ／Ｄ导出△Ｌ
＝ｋ（ｎ２－ｎ１）/2Ｄ
把上述实验数据带入公式可得：ɑ＝1.7*10＾-6
6.注意事项
1.在测量过程中，要始终注意保持光杠杆及望远镜镜尺组的稳定。
2.当温度首次达到预置值时温度将超过＋—4度，为正常现象，以后将稳定在范围内（20～70度）
3.温度预置过高时，不宜超过110显示溢出，应关机后重新测量。
7.实验装置的改进
本实验是应用了光杠杆的原理，最后测量数据的值的方法依靠人工读数，需要肉眼从望远镜中观察刻度尺数据进行读数获得数据，虽然操作简单，但是受影响的因素较大，我们考虑用激光器换掉望远镜，用激光束代替肉眼直接观察，实验现象更加明确，测量更加准确。
得到实验结果更加精确。
改进后的实验装置图：
7.1改进实验装置图
8.固体线性膨胀的实际应用
大数物质具有热涨冷缩的特性，在一维情况下，固体受热情况下长度进行增加称为线增加。
在相同的条件下，不同材料的固体，其线性程度不同，我们引用线膨胀系数来表明固体的膨胀特性，是基本的物理参数之一，在建筑，桥梁工程，精密仪器，材料焊接等诸多实际生活中得到广泛应用。