选做-干涉法测量金属的线膨胀系数
试验六测量金属的线胀系数
普通物理实验Ⅲ南阳师范学院物理与电子工程学院前言《普通物理实验Ⅲ》是物理学专业的必修课，它的内容包括热学和光学实验。
在本讲义中，热学部分共列出6个实验，光学部分共列出7个实验。
其中实验一、实验二、实验三、实验四由王宗昌编写，实验五、实验六由郑长波编写，实验八、实验九、实验十一由宋金璠编写，实验七、实验十、实验十二、实验十三由仲志国编写，本讲义由张萍统稿并定稿，并感谢尹中文对编写本讲义过程中所提供的帮助。
本讲义在编写过程中，参考了许多其他高等师范院校的实验教材，但由于编者水平和能力有限，讲义中难免有不妥之处，恳请读者批评指正。
编者2006年8月目录实验一金属比热的测定 (3)实验二金属线胀系数的测定 (7)实验三冰的熔解热的测定 (14)实验四液体表面张力系数的测定——拉脱法 (18)实验五良导体导热系数的测定 (21)实验六不良导体导热系数的测定 (25)实验七薄透镜成像性质研究及透镜焦距的测定 (28)实验八分光计的调整及折射率的测定 (36)实验九等厚干涉现象的研究 (49)实验十迈克尔逊干涉仪的调整和使用 (54)实验十一用透射光栅测光波波长及角色散率 (59)实验十二狭缝衍射的研究 (65)实验十三全息照相 (79)实验一 金属比热的测定实验目的1．掌握基本的量热方法——混合法。
2．测定金属的比热。
3．学习热学实验中散热带来的误差的修正方法。
实验仪器量热器、物理天平、温度计、加热器、待测金属块。
主要仪器介绍量热器如图1所示。
量热器的内外筒由金属制成（一般为铜制或铝制）。
内外筒之间有空气层并用绝热架隔开，外筒用绝热盖盖着，内筒内有金属制的搅拌器，搅拌器的手柄上加绝热套。
同时内筒的外壁、外筒的内壁电镀得十分光亮，使得它们发射或吸收辐射热的本领变得很小，这样实验系统可粗略地认为是个孤立的实验系统。
实验原理 温度不同的物体混合后，热量将由高温物体传递给低温物体，如果在混合过程中系统和外界没有热交换，最后将达到均匀稳定的平衡温度，在这个过程中，高温物体所放出的热量等于低温物体所吸收的热量。
法布里-珀罗干涉法测量金属线胀系数
３ 结束语
机 电一体化的 出现不是偶然 的，这些发展方向是达到一定 阶段 的必然要求 ，更是满足需求 的必然结果 。随着社会生产和 科学技术 的进步与发展 ，机 电一体化技术正在不断地深入到各 个领域并迅猛地 向前推进 。矿 山机 电中，采用先进 的一体化设 备 ，具有 性能可靠 、 保护安全 、维护方便 、操作简单 、 体 积小 、 信息 化 、程序 化和高智 能化 的特点 ，所 以能够广泛 的应用到煤 矿生 产中。机 电一 体化设备不仅 能够提供 劳动安全保 障、减轻 操作人 员的劳动负担 、提高上作效率 ，还 能增加矿工 的经济收 入 ，增加 矿山企业 的市场竞争力 ，带动相关企业 的经济发展 。
一
１ 实验 装置 及原 理
实验 中采用 Ｈ ｅ —Ｎ ｅ激光器作为光源 ，应用实验室 中的线 胀系数测 定仪 ，将 其长度的微小 变化端进行改进 ，对法布里 一 珀罗干涉镜 片进行改造 ，替代传统的光杠杆 ，自制 的底座用于
稳 固法布里 一珀罗干涉镜 片。 该装置 由 Ｈｅ －Ｎ ｅ激光光源 、干 镜 片 、精密滑块 、测量探头 、 自制蜗轮蜗杆传动装置和记录 装置等组成 （ 具体组装图见图 １ ） 。 法布里 一珀罗干涉装置 由平行放置的两块镀有高反射率薄 膜的平面玻璃镜片组成 ， 当光束通过两块以固定的间距放置的玻 璃镜 片时 ， 就会发生多光束干涉的现象 。当镀有高反膜两镜 片之 间距离的改变量为半个波长时，就能观察到一个环的吞吐。该装 置的实验原理是使一镜片固定 ，位置始终保持不变 ； 另一镜片固 定在装有测量头的精密滑块上 ， 通过滑块移动而使两镜片之间距 离改 变，距离的改变量即是测量探头的位移量。当距离增大 （ 减 小 ）半个波长时 ，可以看到收集屏上一个圆环吐 出 （ 吞没 ） 。通 过 自制 的计录装置记录吞吐圆环的个数 Ⅳ， 从而实现测量微小长 度的变化 Ａ Ｌ ＝Ｎ ２ ／ ２ 。记录装置的工作原理见 图 ２ 。光敏管放置在 干涉条纹的中心， 将条纹光强变化及背景光信号 的叠加信号转换 为电信号 ，用来驱动计算器数字显示和语音播报。
用迈克尔逊干涉仪测量金属的线胀系数
用迈克尔逊逊干涉仪测金属的线胀系数晏伟仁[1]物理与电子工程学院摘要材料热膨胀系数是材料的热物性之一[1]，是表征材料性质的重要特征量，尤其对材料在常温以上时线膨胀系数的测量在实际工程中更具有重要意义。
测量金属的线胀系数有多种不同的实验方法, 常用的是光杠杆法。
由于金属受热的膨胀过程是动态过程, 故此法需在动态过程中对多个数据同时进行观测, 易引起较大偶然误差, 影响了测量结果的精度。
采用迈克尔逊干涉法测量材料线膨胀系数和传统的顶杆法相比具有测量准确，测量分辨率高等优点。
关键词迈克尔逊干涉法; 线胀系数Abstract Material’s thermal expansion coefficient is the nature of material, it is mask material-nature’s important characteristic. Especially for material that measure the Line Coefficient of expansion of metal in reality has important applies in high temperature .Measure the Line Coefficient of expansion of metal has many different methods . In common use optical lever to measure it . Due to metal heated is a dynamic process , we should write down much record in this dynamic process，it is easy that cause big probable error , so use this method affect measuring-result’s precision . Take with Michelson laser interference to measure the Line Coefficient of Expansion of metal than optical lever moreaccurately, and has high precision and resolution.Key words Michelson interference；Line Coefficient of Expansion2011-12-27 科技创新实训作业[1] 晏伟仁。
选做-干涉法测量金属的线膨胀系数剖析
选做-干涉法测量金属的线膨胀系数剖析
干涉法是一种常用的光学测量方法，可用于测量物体表面形态、薄膜厚度、光学模式等。
此外，干涉法还可以用于测量金属材料的线膨胀系数，从而剖析金属的热膨胀特性。
在测量金属的线膨胀系数时，首先需要获得金属材料的表面形态变化，利用干涉法可在金属表面上形成干涉条纹，从而反映出金属的形态变化情况。
当金属受热时，其温度升高，长度也随之增加，这种长度的增加导致光程差的改变，从而使干涉条纹发生移动。
通过测量干涉条纹移动的距离和温度变化量，就可以计算出金属的线膨胀系数。
1、实验器材
干涉仪、热源、温度计、计时器、样品支架等。
2、实验步骤
（1）在试验前将待测金属样品切割成长度为30-40 mm左右、直径为10 mm左右的细棒，并将其磨光准备好。
（2）将磨好的样品固定在样品支架上，并将支架放置在干涉仪的工作台上。
（3）调整干涉仪的镜子，使其成为一组平行光。
（4）打开热源，将其放置在待测金属样品旁边，使其加热。
（5）当待测金属样品的温度达到一定程度时，干涉条纹会出现移动，此时需使用计时器记录干涉条纹的移动时间，并使用温度计测量待测金属样品的温度。
（6）根据干涉条纹移动的距离和温度变化量，计算出金属的线膨胀系数。
金属的线膨胀系数是金属材料的基本物理参数之一，常常用于研究金属在温度变化时的形态变化和性能变化。
利用干涉法测量金属的线膨胀系数可以更加准确地研究金属的热膨胀特性，并且可以用于优化金属材料的设计和制造。
同时，干涉法还可以应用于其他领域，如测量液体的密度、薄膜厚度等。
迈克尔逊干涉仪测定金属线胀系数实验分析--升温测量和降温测量
迈克尔逊干涉仪测定金属线胀系数实验分析--升温测量和降温测量汤国富;范婷【摘要】The tiny change in length of metal thermal expansion and contraction can be measured with Michel-son interferometer,because this interferometer can measure a slightly small length with great precision. A new technique of measuring the linear expansion coefficient of metal is thus acquired. The experiment makes a heat-ing and cooling measurement. Comparison is made between the heating and cooling measurement, and the measurement errors were analyzed. The results show that the cooling measurement can effectively solve the large deviations problem in the heating method.%利用迈克尔逊干涉仪可精确测量微小长度这一特性来测定金属在一定温度变化范围内，热胀冷缩的微小长度变化，从而得到一种更加精确测量金属线胀系数的新方法。
并分别进行了升温测量和降温测量。
后经对实验结果及实验误差的对比分析，结果显示，降温测量相比升温测量，可极大地减小实验误差，提高实验精度。
【期刊名称】《大学物理实验》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】4页(P24-26,47)【关键词】金属线胀系数;迈克尔逊干涉仪;升温测量;降温测量;最小二乘法【作者】汤国富;范婷【作者单位】石河子大学，新疆石河子 832000;石河子大学，新疆石河子832000【正文语种】中文【中图分类】O436.1金属线胀系数是描述金属热胀冷缩的一项重要参数。
干涉法测线膨胀系数
2、干涉法测线膨胀系数原理 反射镜M1
反射镜M2
补偿板G2 观 察 屏
分光板G1
8
2、干涉法测线膨胀系数原理 M2
M'2
M1
δ
L 光程差△=2L
△=
k (k 0，1，2,...)
干涉加强，亮纹
(2k 1) (k 0，1，2...)
2
干涉减弱，暗纹
9
2、干涉法测线膨胀系数原理
干涉条纹的变化规律
条纹冒出
L
条纹陷入
2L =kλ，L增大，k增
大，反之亦然；
条纹每冒出（或陷入）一 条，光程就改变一个波长
10
2、干涉法测线膨胀系数原理
据2L =Nλ
11
3、小结
（1） 固体线膨胀特性由线膨胀系数α来描述；
L • 1
L T
（2）通过光学干涉法测量受热伸长量△L：
受热伸长量△L 干涉条纹变化N
L N
1、线膨胀系数简介
假设固体在温度T0时长L，受热后温度达到 T1时的一维方向伸长量为L，则有：
上式α就是线膨胀系数，描述固体材料的膨胀
特性。 例如：铁为1.2×10-5 °C-1。如何测量L？
5
问题：微小形变量怎么测？
微 小 形 变 量
6
2、干涉法测线膨胀系数原理
为了方便测量线膨胀系数，我们将固体材料 做成条状或棒状，置入加热盘中，加热后测轴向 伸长量。
主讲人：***
内容导航
线膨胀系数简介 干涉法测线膨胀系数原理
小结与思考
2
1、线膨胀系数简介
空隙
铁轨
铁轨受热变形
固体受热在一维方向上的伸 长称为固体线膨胀。
3
选做-干涉法测量金属的线膨胀系数
干涉法测量金属的线膨胀系数固体的线膨胀是指固体受热时在某一方向上的伸长。
这种特性是工程结构设计、机械和仪表制造、材料加工中要考虑的重要 因素。
在相同条件下，不同材料的固体线膨胀的程度不同。
各种材料膨胀特性用线膨胀系数（简称线胀系数）来描述。
线胀系数是选用材料的一项重要指标，实际中经常要对材料线胀系数做测定。
对于金属材料，温度变化引起长度的微小变化比较微小,一般采用光杠杆、光的衍射法等进行精确测量。
本实验中利用干涉法测量金属棒的热膨胀系数。
一、实验目的1．观察物体线膨胀现象，学会测量金属的线胀系数. 2．掌握应用迈氏干涉仪测量物体长度微小变化的方法. 二、实验仪器SGR —1型热膨胀实验装置、游标卡尺、铜棒、铝棒. 三、工作原理在不太大的温度变化范围内，原长为l 0的物体，受热后其伸长量l ∆与其原长l 0、温度的增加量t ∆近似成正比，即0l l t α∆=⋅⋅∆ （1）式中的比例系数α 即称为线胀系数，它表示当温度升高1℃时固体的相对伸长量。
由上式可得l l tα∆=⋅∆ （2）不同材料的线胀系数不同，塑料的线胀系数最大，金属次之，石英玻璃线胀系数很小。
线胀系数是选用材料的一项重要指标。
附表中列出几种物质的线胀系数值，对应有一个温度范围。
表1 几种材料的线胀系数实验指出，同一材料在不同的温度区段，其线胀系数是不同的，但在温度变化不大的范围内，线膨胀系数近似是一个常量。
线膨胀系数的测定是人们了解材料特性的一种重要手段。
在本实验中我们用SGR-1型热膨胀实验装置测量金属棒在20℃～50℃范围内的线膨胀系数，其工作原理是基于光干涉法来进行微小长度量的测量，其光路图见图1所示。
从He-Ne 激光器出射的激光束经过分束器（半反镜）后分成两束，分别由两个反射镜：定镜和动镜反射回来，由于分束器的作用两束反射光在观察屏上会相遇并形成明暗相间的同心环状干涉条纹。
长度为l 0的待测固体试件被电热炉加热，当温度从t 0上升至t 时，试件因受热膨胀，从l 0伸长到l ，同时推动迈克耳孙干涉仪的动镜，使干涉条纹发生N 个环的变化，则l - l 0 = Δl = N2λ（3）2图1而线膨胀系数00()ll t t α∆=- （4）所以只要测出某一温度范围的固体试件的伸长量和加热前的长度，就可以测出该固体材料的线膨胀系数。
多光束激光外差超高精度测量金属线胀系数方法
多光束激光外差超高精度测量金属线胀系数方法一、多光束激光外差干涉测量原理多光束激光外差干涉测量是一种基于激光干涉原理的测量方法。
它利用激光束通过分束器分成多个光束，分别照射在待测物体上，并通过干涉现象获取物体表面形态的信息。
在纵向上，通过改变其中一个光束的光程差，可以使测量结果更加精确。
二、多光束激光外差超高精度测量金属线胀系数方法步骤1.装置设计和搭建：设计搭建多光束激光外差干涉测量装置，包括激光器、分束器、反射镜、接收器等。
确保各个光束照射到待测金属线上。
2.预热金属线：对金属线进行预热处理，使其温度达到测试温度。
此步骤可以通过控制电流通过金属线来实现。
3.建立干涉图像：通过激光器照射到金属线上，并通过反射到接收器上形成干涉图像。
干涉图像中的干涉条纹反映了金属线的形变情况，可以通过图像处理方法获取干涉条纹的形态。
4.观察干涉条纹的变化情况：随着金属线温度的升高，干涉条纹的形态会发生变化。
通过观察变化情况可以推算出金属线的长度变化，从而得到金属线的热膨胀系数。
5.测量数据分析：将观察到的干涉条纹的变化情况记录下来，并进行图像处理分析。
通过图像处理方法可以得到金属线的长度变化情况，进而得到金属线的热膨胀系数。
三、多光束激光外差超高精度测量金属线胀系数方法优势1.高精度：多光束激光外差干涉测量可以提供较高的测量精度，可达到亚微米级别。
2.高稳定性：通过多光束干涉技术，可以减小外界干扰对测量结果的影响，使得测量结果更加稳定可靠。
3.高实时性：该方法可以实时监测金属线的温度变化，并得到相应的胀系数，可以及时调整工艺和温度控制。
四、多光束激光外差超高精度测量金属线胀系数的应用多光束激光外差超高精度测量金属线胀系数方法可以应用于金属线材的热膨胀性能测量，可广泛应用于制造业、航空航天、材料科学等领域。
例如，在航空航天工程中，该方法可以用于对导航系统中的精密仪器设备的热膨胀系数进行测量，以确保设备工作在合适的温度条件下。
- 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)。
干涉法测量金属的线膨胀系数 固体的线膨胀是指固体受热时在某一方向上的伸长。
这种特性是工程结构设计、机械和仪表制造、材料加工中要考虑的重要 因素。
在相同条件下，不同材料的固体线膨胀的程度不同。
各种材料膨胀特性用线膨胀系数（简称线胀系数）来描述。
线胀系数是选用材料的一项重要指标，实际中经常要对材料线胀系数做测定。
对于金属材料，温度变化引起长度的微小变化比较微小,一般采用光杠杆、光的衍射法等进行精确测量。
本实验中利用干涉法测量金属棒的热膨胀系数。
一、实验目的
1．观察物体线膨胀现象，学会测量金属的线胀系数.
2．掌握应用迈氏干涉仪测量物体长度微小变化的方法.
二、实验仪器
SGR —1型热膨胀实验装置、游标卡尺、铜棒、铝棒.
三、工作原理
在不太大的温度变化围，原长为l 0的物体，受热后其伸长量l ∆与其原长l 0、温度的增加量t ∆近似成正比，即
0l l t α∆=⋅⋅∆ （1）
式中的比例系数α 即称为线胀系数，它表示当温度升高1℃时固体的相对伸长量。
由上式可得
l
l t α∆=⋅∆ （2）
不同材料的线胀系数不同，塑料的线胀系数最大，金属次之，石英玻璃线胀系数很小。
线胀系数是选用材料的一项重要指标。
附表中列出几种物质的线胀系数值，对应有一个温度围。
表1 几种材料的线胀系数
实验指出，同一材料在不同的温度区段，其线胀系数是不同的，但在温度变化不大的围，线膨胀系数近似是一个常量。
线膨胀系数的测定是人们了解材料特性的一种重要手段。
在本实验中我们用SGR-1型热膨胀实验装置测量金属棒在20℃～50℃围的线膨胀系数，其工作原理是基于光干涉法来进行微小长度量的测量，其光路图见图1所示。
从He-Ne 激光器出射的激光束经过分束器（半反镜）后分成两束，分别由两个反射镜：定镜和动镜反射回来，由于分束器的作用两束反射光在观察屏上会相遇并形成明暗相间的同心环状干涉条纹。
长度为l 0的待测固体试件被电热炉加热，当温度从t 0上升至t 时，试件因受热膨胀，从l 0伸长到l ，同时推动迈克耳干涉仪的动镜，使干涉条纹发生N 个环的变化，则
l - l 0 = Δl = N 2
λ （3）
数显温控仪扩束器观察屏
分束器
定镜 M 1
石英垫
转向镜 M 2
测温探头电热炉
石英管
动镜
试样
He-Ne 激光器
图1
而线膨胀系数
00()
l l t t α∆=- （4） 所以只要测出某一温度围的固体试件的伸长量和加热前的长度，就可以测出该固体材料的线膨胀系数。
四、实验步骤
1. 安放试件
（1）用M4螺钉旋入试件一端的螺纹孔，从试件架上提拉出来，横放在实验台上，再用卡尺测量并记录试件初始长度l 0。
（2）将电热炉从仪器侧面的台板上平移取下，手提M4螺钉把试件送进电热炉（注意：试件的测温孔与炉侧面的圆孔一定要对准）。
（3）卸下M4螺丝，用平面镜背面石英管一端的螺纹件将平面镜与试件联接起来（注意：用手稍微拧紧平面镜后不可再用力，否则容易损坏平面镜同螺纹之间的石英细管）。
在炉体复位（从台板开口向里推到头）后，务必将测温探头穿过炉壁插入试件下半截的测温孔，测温器手柄，应紧靠电热炉的外壳（图2）。
炉体下部与侧台板之间，用两个手钮锁紧。
图2电热炉结构示意图
2. 调节迈克耳干涉光路
打开装置总电源，按“激光”开关，拨开扩束器，调节M1和M2两个平面镜背后的螺丝，使观察屏上的两组光点中的两个最强重合，然后把扩束器转到光路中，屏上即出现干涉条纹，这时微调平面镜的方位，可将椭圆干涉环的环心调到视场的适中位置。
对扩束器作二维调节，可纠正观察屏上光照的不均匀。
3. 测量
（1）测量铝棒的线膨胀系数
① 测量前，先将温控仪选择开关置于“设定”，转动设定旋钮，直到显示出预定温度值。
设定温度后，将选择开关置于“测量”。
②按“加热”键，观察干涉圆环的变化，当温度显示超过室温5℃后，记录试件初始温度t 0，同时开始仔细默数干涉环的变化个数。
待达到预定数50环时，记录此时的温度显示值t 。
测试完毕后，直接按“暂停”键，停止加热。
可根据公式（3）和（4）计算铝棒的线胀系数。
（2）测绘铜棒线膨胀与温度变化关系曲线
① 更换试件。
松开加热炉下部的手钮，使炉体平移，离开侧台板。
旋下动镜拔下测温头，再换上螺丝提手从炉取出试件。
待炉温度降到最接近室温的稳定值，按步骤1要求安放待测试件，安妥后通常需要重新调节光路。
②按“加热”键，观察干涉圆环的变化，当温度显示超过室温3℃后，记录试件初始温度t 0，同时开始仔细默数干涉环的变化个数。
每计数20个干涉环时，记录此时的对应的温度显示值t ，共5组100环。
实验完毕，切断加热炉电源。
以横轴标出铜棒温度变化0t t t ∆=-，以纵轴标出线膨胀伸长量l ∆，描点作图。
由图解法求出铝的线胀系数。
五、数据记录与处理
1. 测量铝棒的线胀系数
初始长度l0铝=λ= 632.8 nm
表1
2. 测量铜棒线膨胀与温度变化关系曲线
初始长度l0铜= λ= 632.8 nm
斜率K =
线涨系数α=
六、注意事项
（1）在平面镜与铜螺丝之间粘接的石英细管质脆易损，不能承受较大的扭力和拉力；炉底上的石英垫不能承受试件落体的冲击；试样入炉与出炉必须用M4长螺钉做辅助工具。
（2）实验前不要按“加热”开关，以免为恢复加热前温度而延误实验时间，或因短时间温度忽升忽降而影响实验测量的准确度。
实验中，每次加热前都需要静置一段时间观察温度显示，耐心等待试件入炉后的热平衡状态。
（3）为了避免体温传热对炉外热平衡扰动的影响，不要用手抓握待测试件。
（4）本仪器宜在低照度实验室使用，室应避免强烈的空气流动。
地面和台面不可有较强的震动。
实验室应保持安静。
（5）注意保护眼睛,不要正面直接注视激光光束。
附录SGR-1型热膨胀实验装置
1.仪器外形见图3。
图3
2. 主要技术指标
He-Ne激光器：功率约1 mW，波长632.8 nm
分束器光圈数：N = 2
平面镜光圈数：N = 2
数字测温最小分度：0.1℃
试件品种：硬铝（20℃起测）
黄铜α=20.6×10-6/℃（25~300℃）
钢（20℃起测）
试件尺寸：l = 150 mm，φ= 18 mm
适宜升温围：室温—60℃
温控仪工作环境：温度0—50℃，湿度85%以下
无腐蚀性气体
线膨胀装置系统误差：＜3 %
耗电功率：约50 W
重量（含附件）：17.25 kg
3.数显温控仪
数显温控仪的测温探头通过铜热电阻，取得代表温度信号的阻值，经电桥放大器和非线性补偿器转换成与被测温度成正比的信号；而温度设定值使用“设定旋钮”（图4）调节，两个信号经选择开关和A/D转换器，可在数码管上分别显示测量温度和设定温度。
仪器加热接近设定温度，通过继电器自动断开加热电路；在测量状态，显示当前探测到的温度。
图4。