金属线膨胀系数的测量

   绝大多数物质都具有“热胀冷缩”的特性，这是由于物体内部分子热运动加剧或减弱造成的。这个性质在工程结构的设计中，在机械和仪器的制造中，在材料的加工（如焊接）中，都应考虑到。否则，将影响结构的稳定性和仪表的精度。考虑失当，甚至会造成工程的损毁，仪器的失灵，以及加工焊接中的缺陷和失败等等。

【实验目的】

学习测量金属线膨胀系数的一种方法。

【实验仪器】

金属线膨胀系数测量实验装置、YJ-RZ-4A数字智能化热学综合实验仪

金属线膨胀系数测量实验装置如图1

 

加热引线

温度传感器引线

千分表

图１

YJ-RZ-4A数字智能化热学综合实验仪面板如图2所示

 

YJ-RZ-4A数字智能化热学综合实验仪

℃

s

温度设定 上盘温度 下盘温度

测量选择

下  盘

上  盘

加热开关

启 动

复 位

设定温度粗选

设定温度细选

远景仪器

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           　　　　　　　　　　　　　图２

【实验原理】

材料的线膨胀是材料受热膨胀时，在一维方向的伸长。线胀系数是选用材料的一项重要指标。特别是研制新材料，少不了要对材料线胀系数做测定。

固体受热后其长度的增加称为线膨胀。经验表明，在一定的温度范围内，原长为L的物体，受热后其伸长量 L与其温度的增加量 t近似成正比，与原长L亦成正比，即

               L =                                          （1）

式中的比例系数 称为固体的线膨胀系数（简称线胀系数）。大量实验表明，不同材料的线胀系数不同，塑料的线胀系数最大，金属次之，殷钢、熔融石英的线胀系数很小。殷钢和石英的这一特性在精密测量仪器中有较多的应用。

几种材料的线胀系数

材     料	铜、铁、铝	普通玻璃、陶瓷	殷  钢	熔凝石英
数量级	-10 （℃）	-10 （℃）	<2 10 （℃）	10 (℃)

实验还发现，同一材料在不同温度区域，其线胀系数不一定相同。某些合金，在金相组织发生变化的温度附近，同时会出现线胀量的突变。因此测定线胀系数也是了解材料特性的一种手段。但是，在温度变化不大的范围内，线胀系数仍可认为是一常量。

为测量线胀系数，我们将材料做成条状或杆状。由（1）式可知，测量出t 时杆长L、受热后温度达t 时的伸长量 L和受热前后的温度t 及t ，则该材料在（t ，t ）温区的线胀系数为

                          =                                （2）

其物理意义是固体材料在（t ，t ）温区内，温度每升高一度时材料的相对伸长量，起单位为（℃） 。

测线胀系数的主要问题是如何测伸长量 L。先粗估算出 L的大小，若L≈250mm,温度变化t -t ≈100℃，金属的a数量级为10 （℃） ，则可估算出 L≈0.25mm。对于这么微小的伸长量，用普通量具如刚尺或游标卡尺是测不准的。可采用千分表（分度值为0.001mm）、读数显微镜、光杆干放大法、光学干涉法。本实验中采用千分表测微小的线胀量。

 

【实验内容和步骤】

   （1）开机

1如图1、图2所示，卸下三个下盘支撑螺钉，安装好实验装置，连接好电缆线，打开电源开关，“测量选择”开关旋至“设定温度”档，调节“设定温度粗选”和“设定温度细选”钮，选择设定加热盘为所需的温度（如50.0℃）值。

2将“测量选择”开关拨向“上盘温度”档，打开加热开关，观察加热盘温度的变化，直至加热盘温度恒定在设定温度（50.0℃）。

（2）测量

当加热盘温度恒定在设定温度50.0℃，读出千分表数值L ，当温度分别为55.0℃、60.0℃、65.0℃、70.0℃、75.0℃、80.0℃、85.0℃、90.0℃、95.0℃时，分别记下千分表读数L 、L 、L 、L 、L 、L 、L 、L 、L  。

（3）用逐差法求出5℃时金属棒的平均伸长量，由（2）式即可求出金属棒在（50℃，95℃）温区内的线胀系数。

 

【数据记录及处理】

 

T	50℃	55℃	60℃	65℃	70℃	75℃	80℃	85℃	90℃	95℃
L
L
=

 

 

【思考题】

1. 该实验的误差来源主要有哪些？

2. 如何利用逐差法来处理数据？

3. 利用千分表读数时应注意哪些问题，如何消除误差？