测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数,复旦大学,物理学 徐杨,1,实验内容,一.测量样品的热膨胀系数,二.测量样品的折射率温度系数,三.分别估测玻璃片B和B的楔角,B,和,B,2,测量温度范围：4090,激光波长=632.8nm,样品中A的高度L=10.120.05mm,样品材料对应此波长在测量温度范围内平均折射率n=1.515,测量温度范围内与视为常数,3,实验装置与器材,样品：实验所用的样品由均匀各向同性的待测玻璃制成，如图1所示。其中A是被切去一部份的玻璃圆柱体，上下表面基本平行；B和B是两块也被切去一部份的圆形薄玻璃板，每块玻璃板的上下表面不平行。三块玻璃A、B、B胶合成一体，如图1所示。胶的折射率与玻璃相同，厚度可以忽略不计。,4,5,2. 加热装置：该实验的加热装置如图2所示，图中电炉右边的旋钮用于调节电炉温度。大铝块中间有一个圆柱形的样品腔，样品可放在其中。小铝块上有两个孔，一个可用于通光，另一个可用来插温度计的探头。如要对样品加热，可先小心地将样品滑入大铝块的样品腔中（这时应将大铝块倾斜，以防样品撞碎），再放入小铝块，然后把整个大铝块放入电炉上的钢杯中，就可以对样品加热。,6,7,3.光源支架：如图3所示，在支架的上部装有He-Ne激光器及其电源，在激光器的下面有一个倾斜的搁架，上面搁放了一块带小孔的观察屏。支架底部有三个脚，C脚是固定的，不可调节， A脚和B脚可以调节。,4. 样品平台：光源支架底部有一圆形平台，用于放置样品或电炉，其底部有三个脚a、b、c，高低可调，见图3。,8,5. 数字式温度计：1个,6. 卷尺和直尺：各1把,7. 水盆：1个（内有冷却用水）,8. 毛巾：1块,9.小纸片：1张,9,第一部分：,测量样品的热膨胀系数,10,实验原理：,11,图4,12,实验步骤（包括测的步骤）,13,首先我们要判断样品的形状，即B与B是外侧厚还是内侧厚。为方便说明，光从有空气柱一侧照射记为从c处照射，从中间照射为从b处照射，从另一侧为从a处照射。并以有空气柱一侧为外侧。从c处入射时，有三个主要光斑（不考虑多次反射）。用小纸片遮住B上表面，此时外侧的光斑消失，说明B与B均为外侧厚，内侧薄。进一步可判断，三个光斑中，中间那个是B的下表面与B的上表面干涉形成的，内侧那个是B的上表面反射形成的，外侧那个是B的下表面反射形成的。,14,实验中，当不放小铝块时，三个主要光斑都很亮，放上小铝块后，外侧光斑变暗。原因是，由上述分析可知，外侧光斑是B的下表面反射形成的，其偏折角较大，所以放小铝块后其光路被遮挡，于是外侧光斑变暗。,为了方便观察级次移动，应使视野中干涉条纹数较少。调节好后试加热，观察条纹移动，当视野中出现两条亮纹中间夹一条暗纹，且两条暗纹亮度和粗细相同时作为计数点。,15,第一次测量,（ 钢杯中加较多水，水浴加热）,温度T/条纹数/N,37.7 1,42.4 2,47.2 3,51.9 4,56.3 5,61.0 6,65.8 7,69.7 8,73.6 9,77.7 10,81.5 11,84.7 12,87.7 13,16,17,第二次测量（钢杯中加较少水，水浴加热）,温度T/条纹数/N,44.6 1,49.4 2,54.0 3,58.9 4,63.6 5,68.3 6,72.5 7,76.9 8,80.3 9,83.6 10,18,19,第三次测量（不加水，先加热再冷却）,温度T/条纹数/N,41.1 1,46 2,51.0 3,57 4,62 5,67.0 6,72.5 7,76.5 8,80.5 9,84.9 10,88.9 11,93.7 12,97.6 13,100.9 14,104.5 15,107 16,108.8 17,103.3 18,99.3 19,（续表）,温度T/条纹数/N,95.320,91.321,87.322,83.323,79.324,75.325,71.426,67.427,63.428,59.329,55.330,51.331,47.332,43.233,39.134,20,加热时（117组）,21,自然冷却时（1834组）,22,数据处理,第一次，得u（）=（7.390.04）10,-6,K,-1,第二次，得u（）=（7.090.04）10,-6,K,-1,第三次，,加热时，得u（）=（7.190.06）10,-6,K,-1,冷却时，得u（）=（7.810.04）10,-6,K,-1,23,第二部分：,测量样品的折射率温度系数,24,实验原理,25, 测时，直接采用自然冷却法，原因如下：,在的多次测量中，自然冷却法测得的值最大，也即k最小，那么，加热时k比冷却时大的原因是什么？哪一个值更接近真实值呢？,数字式温度计的传感器在探针的头部，此处与玻璃样品接触，而探针的侧面则与小铝块接触。尽管此处没有传感器，但因为金属探针是热的良导体，而探针侧面积又较大，故小铝块的热量也会很快地传到探针头部的传感器中，从而对温度计示数产生不可忽略的影响。,加热时，装置整体较快地接收热量，而由于玻璃的热传导系数远小于铝块（铝：237，单层玻璃：6.2），故小铝块升温快于玻璃样品，这样，温度计示数就会高于样品实际温度，且后一个数据点的温差大于前一个，也就是所得曲线的斜率大于真实情况。而自然冷却时，由于热量散失较慢，小铝块与样品温差可以忽略，这样，测得曲线的斜率就会较为接近真实情况。所以，可以认为自然冷却法所得结果较为准确，故直接用此法测。,从测,的几组实验的对照，即第一组与第二组对照，第三组加热与第三组冷却对照，第一组、第二组、第三组加热与第三组冷却对照，可以发现，能否将,测的较为准确与装置和外界热交换速率有关，速率较慢时测量结果较为接近真实值，故自然冷却法是最好的测量方法，但其也存在着实验所需时间过长的弊端。,26,另外，加热时的曲线，其后几点的斜率下降，这是因为此时停止了加热，小铝块与样品温差逐渐减小。但是，仔细观察曲线，即使剔除了关闭电炉后的点，也并非严格的直线，而是斜率逐渐减小的曲线（当然，最小时也仍然比自然冷却时大）。这又是什么造成的呢？,经分析，有以下三种可能原因：,1.随着温度升高，小铝块与样品温差增大，这会加快样品对热量的吸收，从而对小铝块与样品间温差的增大产生反作用。,2.随着温度升高，小铝块与电炉（当然中间还会通过大铝块）温差减小，这会减慢小铝块对热量的吸收，从而对小铝块与样品间温差的增大产生反作用。,3.随着温度升高，装置向外界散热的速率加快，这对小铝块的影响较大，从而对小铝块与样品间温差的增大产生反作用。,在这三个原因中，因为玻璃热传导系数远小于铝，故第一个原因可忽略。而后两个原因中，由于金属之间的热传递要快于金属与空气之间，故可以认为第二个原因是最主要的影响因素。,27,不加水自然冷却测量,温度/条纹数/N,98 1,96.32,94.63,92.84,90.85,88.76,86.57,84.38,82.19,79.910,77.711,75.512,73.313,71.114,68.915,66.716,温度,/条纹数/N,64.517,62.3 18,60.1 19,57.920,55.721,53.522,51.323,49.124,46.925,44.726,42.527,40.328,38.129,28,29,数据处理,不加水自然冷却测得,u（）=（2.550.08）10,-6,K,-1,30,第三部分：,估测玻璃片B和B的楔角B和 B,31,实验原理,32,图5,33,实验步骤,34,B在上，,d,1,=2.4cm,l,1,=80.0cm,B,=9.910,-3,rad,B在上，,d,2,=3.0cm,l,2,=85.5cm,B,=1.210,-2,rad,35,至此，实验内容全部完成，最后列出结果：,u（）=（7.810.04）10,-6,K,-1,u（）=（2.550.08）10,-6,K,-1,B,=9.910,-3,rad,B,=1.210,-2,rad,36,37,