用電學法測金屬導線熱導率

1、用電學法測金屬導線熱導率林良羽（A08?？埔话?學號080105104） 指導老師，竺江峰摘要：實驗通過用雙臂電橋測量一定溫度下銅導線的電阻，進而計算得到銅線的電導率，再根據維德曼夫蘭茲定律得到銅線的熱導率，并給出整個實驗過程。結果表明用電學法測金屬熱導率可行而且精確度較高，彌補了測量金屬導線熱導率實驗方法的空白。關鍵詞：維德曼夫蘭茲定律 雙臂電橋 熱導率 金屬導線引言：目前，各大高校測量物體熱導率時，普遍使用穩(wěn)態(tài)法與動態(tài)法。兩者較實用，使用范圍廣（適用于氣體，固體甚至液體），但實驗必須使用配套儀器，并且所用時間長，往往測一組數據要花上幾個小時，更重要的是兩種方法測定金屬熱導率時要求被測物體具

2、有與實驗儀器相匹配的標準形狀，對一些不規(guī)則物體（例如金屬導線）則鞭長莫及 ，而電學法彌補了傳統(tǒng)實驗方法的不足，拓展了測量金屬熱導率的實驗方法。1 材料、原理與方法1.1 實驗器材直流穩(wěn)壓電源 、ZX21型電阻箱5個、滑動變阻器、檢流計、銅線（漆包線）、導線、開關、米尺、螺旋測微器、溫度計、冰塊、水箱1.2實驗原理1.21 用自組雙臂電橋測低值電阻（銅線電阻）。電路圖如下Rxrr3r2r2r4RbGR4R1R2Ig圖（1）R3當 （1）時，r大小可忽略，且有 （2）或 （3）其中 即為所測銅導線1.22對于粗細均勻的導體，當導體的材料與溫度一定時導體電阻與它的長度成正比與它的橫截面積成反比，即存

3、在公式 （4）式中比例系數叫做電阻率，單位為 若導體為圓柱體，d為導體直徑，則橫截面積，可表示為 （5）電阻率倒數 （6）叫做電導率，單位名稱為西門子。1.23:一定溫度下金屬的熱導率和電導率的比值是一個常數，即 （7）式中, 為絕對溫度，是玻耳茲曼常數，是電子電荷，聯立等式（5）（6）（7）可得 （8）1.3實驗方法 用米尺測量銅線長度，并用螺旋測微器測出銅線直徑d。 按圖（1）連接好實驗電路（電源斷開），并把銅導線（Rx）置于冰水混合物中，去掉導線兩端絕緣漆，去絕緣漆部分露出水面并保持干燥。 接通電源，調節(jié)電阻R1、R2、R3和R4的值使得，調節(jié)電阻Rb，使檢流計中沒有電流通過（Ig=0）

4、，記錄電阻R1、R2、R3、R4和Rb的值，重復以上操作記錄多組電阻R1、R2、R3、R4和Rb的值。在實驗完成后，對所記錄數據進行處理并計算得到銅線的熱導率，并與理論值比較求出實驗相對誤差。2 數據處理2.1數據記錄T=273.15K時銅熱導率=401.0Wm-1K-1銅線長度=2.150±0.0005m 銅線直徑d=m 銅線溫度T=273.15K 0下銅導線電阻記錄次數110.0±0.150.0±0.50.9±0.040.18±0.003210.0±0.1100.0±0.51.8±0.060.18±0

5、.006310.0±0.1200.0±1.03.6±0.090.18±0.005410.0±0.1300.0±1.55.6±0.130.187±0.005510.0±0.1400.0±2.07.4±0.160.185±0.004610.0±0.1500.0±2.59.3±0.200.186±0.004710.0±0.1600.0±3.011.2±0.230.187±0.004810.0±

6、0.1700.0±3.512.4±0.260.177±0.004910.0±0.1800.0±4.014.6±0.310.183±0.0042.2數據處理銅電阻Rx平均值= (0.180+0.180+0.180+0.187+0.185+0.186+0.187+0.177+0.183) =0.183不確定度=0.001銅線熱導率 = Wm-1K-1 =414.48 Wm-1K-1不確定度 = Wm-1K-1 =8.8 Wm-1K-1實驗結果 =414.5±8.8 Wm-1K-1實驗相對誤差 =(414.5401.0)

7、/401.0×100% =3.4%3實驗結果及分析 本實驗所測得銅線熱導率=414.5±8.8Wm-1K-1理論值=401.0 Wm-1K-1實驗相對誤差為3.4%，在±5%以內準確率較高。實驗結果說明用電學法測金屬導線熱導率是可行的、科學的。況且實驗用時不到1小時相對于傳統(tǒng)使用穩(wěn)態(tài)法或動態(tài)法而言大大節(jié)省實驗所需時間，而且對于一條銅線的熱導率傳統(tǒng)方法是無法測量的，電學法則解決了這一難題，證明了電學法在測量金屬導線熱導率方面極具有優(yōu)越性。 此外，因難以查找到除0以外的銅的熱導率其他理論值，我們通過將銅線封在冰塊或浸于冰水中測得-2020間幾組實驗數據可作為不同溫度時

8、的銅導線熱導率的參考值，如下所示：不同溫度下銅導線熱導率實驗值T/K253.15258.15263.15268.15273.15278.15283.15288.15293.15/Wm-1K-1412.3412.7 415.3417.8419.7422.1421.8421.5421.34結束語 本實驗用電學法測量銅導線的熱導率, 實驗儀器可自行組裝，操作簡單，精確度較高，并且彌補了傳統(tǒng)方法測量金屬熱導率的不足，因此用電學法測量金屬的熱導率具有很大可行性及創(chuàng)新性，此方法可作為測量金屬導線的熱導率另一實驗方法。因難以查找到除0以外的銅的熱導率其他理論值，因此實驗中增加了 -2020間幾組銅導線熱導率

9、實驗數據，可作為不同溫度時的銅導線熱導率的參考值，對實驗者來說充分學習了控制不同溫度，通過電學量轉換的方法測量金屬熱導率的方法。從開始接觸維德曼夫蘭茲定律到實驗方案設計最終完成實驗，在此過程過程中，我們與老師一起不停的碰到問題、分析問題、解決問題，通過該實驗讓我們更進一步的接觸了實驗創(chuàng)新的實質，提高了動手能力、創(chuàng)新能力以及處理實際問題的能力，開拓了我們的思維，為以后設計創(chuàng)新實驗打下了基礎。參考文獻1 竺江峰，蘆立娟，魯曉東. 大學物理實驗M. 北京：中國科學技術出版社， 2007：78 -91 2 姚建明 孔令民 大學物理下冊M 北京理工大學出版社 2008：51-52 3 張勛友. 雙臂電橋測低電阻的附加誤差分析及橋臂的選擇J. 成都科技大學學報, 1996,(05) ：98-1014 周惠君,江洪建,胡立群,萬春華. 熱波理論的應用良導熱體熱導率的動態(tài)法測量J. 大學物理, 2005,(06)： 47-495 宋學鋒,宋昌盛,段家忯. 動態(tài)法測