固體線膨脹系數(shù)的測定講義

精品文檔固體線膨脹系數(shù)的測定大多數(shù)固體材料內(nèi)部分子熱運(yùn)動的劇烈程度與物體的溫度有關(guān)，故而都遵從熱脹冷縮的規(guī)律。固體的體積隨溫度升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。固體熱膨脹時，它在各個線度上（如長、寬、高、直徑等）都要膨脹，我們把物體線度的增長稱為線膨脹；將體積的增大稱為體膨脹。若固體在各方向上熱膨脹規(guī)律相同時，可以用固體在一個方向上的線膨脹規(guī)律來表征它的體膨脹，所以線膨脹系數(shù)是很多工程技術(shù)中選材料的重要技術(shù)指標(biāo)。在道路、橋梁、建筑等工程設(shè)計(jì)、精密儀器儀表設(shè)計(jì)、材料的焊接、加工等領(lǐng)域都必須考慮該參數(shù)的影響。線膨脹系數(shù)的測量方法有很多種，包括：光杠桿法、千分表法、讀書顯微鏡法、光學(xué)干涉法、組合法等，本實(shí)驗(yàn)采用千分表法測金屬線膨脹系數(shù)，用FD-LEB線膨脹系數(shù)測定儀進(jìn)行測量。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.學(xué)習(xí)測量固體線膨脹系數(shù)的方法；2.掌握用千分表測量微小長度變化的方法；3.練習(xí)作圖法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法；4.分析影響測量精度的因素。二、實(shí)驗(yàn)原理固體受熱后的長度L和溫度t之間的關(guān)系為： (1)式中L0為溫度t=0時的長度，是和被測物質(zhì)有關(guān)的數(shù)值很小的常數(shù)，而以后的各系數(shù)和相比甚小，所以常溫下可以忽略，則上式可寫成： (2)式中就是固體的線膨脹系數(shù)，其物理意義為溫度每升高一度時物體的伸長量與它在零度時的長度比，單位是攝氏度分之一。如果在溫度t1和t2時，金屬桿的長度分別為L1和L2，則有： (3) (4)聯(lián)立(3)、(4)式可得：。由于L2與L1相差微小，所以上式可近似寫為。式中是固體當(dāng)溫度變化時相對應(yīng)的伸長量。該式通常可簡單表示為：。 （5）式中L為物體的原長，為固體在溫度變化為時的伸長量。在溫度變化不大的范圍內(nèi)，固體的線脹系數(shù)可以認(rèn)為是與溫度無關(guān)的常量，但是在不同的溫度區(qū)域，同一材料的線脹系數(shù)不一定相同。另外，不同材料的線膨脹系數(shù)是不同的，塑料最大，金屬次之，大多數(shù)金屬的線膨脹系數(shù)在之間。三、實(shí)驗(yàn)儀器FD-LEB線膨脹系數(shù)測定儀包括電加熱箱、千分表、溫控儀、扳手、米尺和待測金屬棒。其中電加熱箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。電加熱箱使用時需要注意：（1）被測物體控制于8400mm尺寸；（2）儀器放置要平穩(wěn)。因?yàn)樯扉L量極小，故實(shí)驗(yàn)時儀器不應(yīng)有任何振動。千分表是一種測定微小長度變化量的儀表，表盤上一周分為200小格，每小格表示0.001mm。當(dāng)測量桿被壓縮0.2mm時，小指針轉(zhuǎn)過一格，而長指針則轉(zhuǎn)過一周，其讀數(shù)方法與千分尺相同。在安裝千分表的時候，其探頭應(yīng)與被測物體保持在同一直線。千分表的固定以表頭無轉(zhuǎn)動為準(zhǔn)，稍用力壓一下千分表滑絡(luò)端，與隔熱棒有良好的接觸，小表盤上顯示的讀數(shù)在0.2-0.3mm較為適宜，然后再轉(zhuǎn)動表殼調(diào)零。恒溫控制儀分為顯示窗口和溫控按鈕。按升溫鍵，溫度數(shù)值即由零逐漸增大至用戶所需設(shè)定的數(shù)值，最大不超過80；如果顯示溫度高于所需要的溫度，可按降溫鍵直至所需設(shè)定的溫度；當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定數(shù)值時，即可按確定鍵開始對樣品加熱。同時指示燈亮，發(fā)光頻率與加熱速率成正比。如果按復(fù)位鍵，可改變之前設(shè)定，重新設(shè)置。確定鍵也可作為選擇鍵來使用，可選擇觀察當(dāng)前的溫度數(shù)值和設(shè)定的溫度數(shù)值。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.接通電加熱器與溫控儀輸入輸出接口和溫度傳感器的航空插頭。2.取出電加熱箱中的待測棒，記下棒的材料類型，用米尺測棒的長度。3.按照儀器操作要求安裝好待測棒、隔熱棒和千分表，然后將千分表調(diào)零。4.將溫控儀的溫度數(shù)值分別設(shè)定為35、40、45、50、55和60，按確定鍵開始加熱。5.當(dāng)溫度顯示值上升到大于設(shè)定值，電腦自動控制到設(shè)定值，需等待千分表的讀數(shù)基本穩(wěn)定后再記錄千分表的示數(shù)和對應(yīng)的溫度值。（溫控儀設(shè)定的溫度與實(shí)際溫度有差別，以實(shí)際達(dá)到的溫度為準(zhǔn)記錄數(shù)據(jù)。）6.更換其他兩種測量材料，重復(fù)以上測量過程。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理1.自行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)記錄表格記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2.利用等差法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后用公式（5）分別計(jì)算各個溫度下不同材料的線膨脹系數(shù)。3.作圖，由曲線的斜率求線脹系數(shù)，并考查其線性關(guān)系。六、注意事項(xiàng)1.千分表是精密儀器，不要用力擠壓。2.由于被測物體伸長量極小，故儀器不應(yīng)有振動，讀數(shù)時不要用力壓桌面。七、思考題1.為什么要在溫度和千分表穩(wěn)定的時候才能讀數(shù)？2.隔熱棒的作用