固体线膨胀系数测定及改进方案

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。一般氧化物的值在(815)10K范围，二元硅酸盐物质的值一般在(5210)10K碳化物的a值为(57)10K金刚石为11010K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(051010K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(11010K)，层间结合力很弱，层间方向a值高达2710K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内会产生内应力。当晶界处于高的应力状态时，材料强度降低，甚至产生微裂纹。气孔率对耐火材料的热膨胀特性也有影响。当气孔使材料内颗粒间的结合变弱时，a值变小。而连续固相中的封闭小气孔几乎不影响a值。多相多晶和复合材料的线膨胀系数是可以根据物相组成进行计算的。所有计算公式都以各相之间在内应力作用下不产生微裂纹为前提，所以实际上是一种近似的估算，多微裂纹的耐火材料，a的实测值和计算值的偏差可以用作衡量显微结构中缺陷数量的一种尺度。2. 实验2.1固体线性测量的原理: 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= L2L1与温度变化量t= t2t1及固体的长度L1成正比 L=L1t (1) 式中的比例系数称为固体的线膨胀系数，由上式知： =L/Ll1/t (2) 可以将理解为当温度升高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(0.82.5)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，我们近似认为是不变的，由（2）式测得的称为固体在t1t2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。 物理实验中常用光杠杆法测微小位移，它通过光学系统将微小位移量放大再加以观测。 (3) 固体长度一般也随温度升高而增加，长度L与温度t之间的关系： L=L0(1+at+t2+.) L=L0(l+at)设t1温度时物体长度为L，温度为t2时长度增加L最后整理可得：=L/L(t1-t2)-Lt1 本实验在预测定微小长度变化，为此采用光杠杆方法进行测量，根据以上可得公式为：（）/2（）/2（）测定本公式中未知量就是本实验的主要内容操作。3. 实验装置本实验装置包括固体膨胀线性测定仪，光杠杆，望远镜及标尺。固体膨胀线性测定仪作用：加热固体0度，70度，90度，预热仪器后，在指示屏上分别加热金属杆至以上温度。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，这时光杠杆镜面向前倾角，既有，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，待测固体受热膨胀即光杠杆转过角之后，读数2，取两次读数的差，根据反射光定律，反射线将转过2角，设为标尺到镜杆的距离，则有2/，因为很小。由此得出结论：2/导出（）/24.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。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。5.实验结果次量（）（）（）（）（）149.91.3702.190150.08.0表4.1根据以上数据用公式：（）/2（）2/导出（）/2把上述实验数据带入公式可得：1.7*10-66.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（2070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。