實(shí)驗(yàn)29應(yīng)用計算機(jī)測定導(dǎo)熱系數(shù)

1、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教案實(shí)驗(yàn)名稱：應(yīng)用計算機(jī)測定導(dǎo)熱系數(shù)1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? ）學(xué)習(xí)平板法測量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的方法。2 ）掌握在科學(xué)工作室平臺上利用計算機(jī)和熱電偶測量溫度的方法。3）學(xué)習(xí)根據(jù)動態(tài)平衡的原理測定熱流速率的方法。2. 實(shí)驗(yàn)儀器導(dǎo)熱系數(shù)測定儀、杜瓦瓶、熱電偶、游標(biāo)卡尺、500型科學(xué)工作室接口、直流電壓放大器、計算機(jī)及科學(xué)工作室接口、塞規(guī)3. 實(shí)驗(yàn)原理及方法平板法Qftq = = Z.平板法測定導(dǎo)熱系數(shù)的原理是根據(jù)以下的導(dǎo)熱方程式A；：x （ 1）推導(dǎo)出來的。如圖29 1，在某一時刻，熱量自溫度為 “的高溫盤通過厚度為 h、面積為A的導(dǎo)熱樣品平板向溫度為 屯的低溫盤傳導(dǎo)，在 ：t秒內(nèi)，從高溫面?zhèn)?/p>

2、到低溫面的熱量Q，由導(dǎo)熱方程（1）推導(dǎo)可滿足下述表達(dá)式:二Q廠七A盤h（ 3）圖圖29 1式中.'-t為熱流速率，-為該物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）。平板法如圖29 1所示，這樣的一個熱傳導(dǎo)系統(tǒng)，在某一時刻，對于溫度為二2、質(zhì)量為m、比熱為cp的低溫盤來說，當(dāng)高溫物體通過待測量的樣品材料以"W的速率給低溫物體輸入熱量，同時低溫物體一方面吸收熱量，另一方面向四周散熱。根據(jù)能量守恒定律有QdldlmpCpmpCp =tdtdt 散熱（4）式中dt為低溫物體溫度為 二2時的溫度變化率，dt散熱為低溫物體溫度為-2時向四周散熱的溫度變化率。根據(jù)（3）、（4）式有一 g旦p p dtd令+

3、 mpCp2)h/A(® °2)(5)dt |散熱根據(jù)（5）式只要分別測量出樣品的尺寸h、A以及低溫物體的質(zhì)量m和比熱cp，并確定某一時刻的高溫物體溫度刃和低溫物體溫度 6以及溫度為 出時低溫物體的溫度變化率dt和對應(yīng)的向四周散熱的溫度變化率dt散熱就可以確定材料的導(dǎo)熱系數(shù)。對于直徑為d圓形樣品，（5）式可整理為：,d日2丄d日22 aa九=4h（mpCp=+mpCp=）"d （耳一碼）dtdt 散熱/ 6）3.2實(shí)驗(yàn)裝置及方法實(shí)驗(yàn)裝置如圖29 2所示，在支架D上先放上圓形散熱銅盤 P （材料是銅-康銅）、待測 出樣品B （圓形盤不良導(dǎo)體） 和與電熱器連成一體厚底

4、紫銅圓盤A。在A的上方用電熱器L加熱，散熱盤下方用電風(fēng)扇吹風(fēng)散熱，使樣品上、下表面溫度分別為，、2并分別用安插在A、P側(cè)面深孔中的兩條熱電偶 E來測量。利用科學(xué)工作室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)溫度特 性的實(shí)時采集，并確定各個時刻低溫散熱盤的溫度變化率和對應(yīng)的向四周散熱的溫度變化 率。實(shí)驗(yàn)接線如圖 29 3所示，富熱底猛A敬熱羽盤P嫩宇電壓龍1熱電壓 送弾開關(guān)熱電何插孔圖292導(dǎo)熱系數(shù)測定儀特測樣品特測樣品導(dǎo)熱系數(shù)測定儀直流電壓廳大器A直流電壓廳大器A直涼宇壓放大器B直涼宇壓放大器B劉0型播口計篦機(jī)圖29-3應(yīng)用計算機(jī)測量溫度線路連接示意圖熱電偶的輸出經(jīng)兩路直流電壓放大器放大后接入500型科學(xué)工作室接

5、口，利用科學(xué)工作室軟件及計算機(jī)采集加熱過程中系統(tǒng)的溫度變化特性以及切斷熱源后散熱盤的散熱曲線，如圖29 4所示。加熱盤A和散熱盤B的溫度隨時間變化曲線圖294科學(xué)工作室采集到的溫度特性曲線4. 教學(xué)內(nèi)容1）學(xué)生必須事先預(yù)習(xí)講義、初步理解實(shí)驗(yàn)原理；2）復(fù)習(xí)科學(xué)工作室“用戶自定義傳感器”原理；3）講解傳導(dǎo)方程及平板法傳熱的工作原理；4）學(xué)生嚴(yán)格按照講義中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟調(diào)整實(shí)驗(yàn)儀器；5）檢查學(xué)生實(shí)驗(yàn)狀況及測量結(jié)果，并確認(rèn)；6）學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并寫出實(shí)驗(yàn)報告；7）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)評分批改實(shí)驗(yàn)報告并給出成績。5. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織及教學(xué)要點(diǎn)1）教學(xué)組織5.1.1 教師在實(shí)驗(yàn)課開始前，必需備課、熟悉儀器，并進(jìn)行實(shí)際

6、操作及數(shù)據(jù)測量;5.1.2 根據(jù)所做實(shí)驗(yàn)的感覺、經(jīng)歷和相關(guān)知識要點(diǎn)擬訂教案、并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；5.1.3 學(xué)生必須課前預(yù)習(xí)，并寫出預(yù)習(xí)報告；5.1.4 課堂上，教師抽查提問學(xué)生，檢查學(xué)生預(yù)習(xí)情況、實(shí)驗(yàn)中所要求的知識要 點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)步驟、重要參數(shù)等掌握狀況；d日5.1.5 根據(jù)提問狀況，講解實(shí)驗(yàn)原理及操作的難點(diǎn)，演示如何測定斜率dt ；5.1.6 學(xué)生自己做實(shí)驗(yàn)，有問題教師及時講解和輔導(dǎo)。2）教學(xué)要點(diǎn)5.2.1 如何理解公式（6）；5.2.2 如何測定各待測量；5.2.3 如何設(shè)置溫度傳感器；6. 實(shí)驗(yàn)中易出現(xiàn)的問題1）熱電偶參考端和測量端易搞錯；2）散熱盤和加熱盤的熱電偶易搞錯；3）采樣選項(xiàng)設(shè)置錯誤

7、。7. 實(shí)驗(yàn)參考數(shù)據(jù)表29-1 :數(shù)據(jù)測量dCh(mm)d (mm)mp(g)(j/kg?K)t(s)呻 j2（C）dtd日2 dt散熱（c(%)/s)8.42 129.52902.8383698.159100.87041.0950.03488-0.015118.34129.628.36129.588.40 129.608.40 129.448.36129.408.38129.508.42 129.368.42 129.448.40 129.42UTT OT UTO CTO 52F量測溫散1#據(jù)05線性適配, Linear Fit y = al + a2 x al = 75.72672a2 =

8、 -0.0 207 6 ch iA2 =0.33 019重復(fù)次數(shù)=2050 010 001520 00根據(jù)肖維涅準(zhǔn)則判定h、d測量無壞值，并計算得到以下數(shù)據(jù)(單位mm其中：m =0.02(mm):AE UxEx =xxSxS_xU A = SxU B 二V3Ux4U；h8.400.0430.00130.0130.0120.0180.214%d129.490.0900.0280.0280.0120.0300.0232%實(shí)驗(yàn)測量圖如下：7號桌導(dǎo)熱系數(shù)測定時間(秒)九=4hmpCp(普 + 曽)/nd2(q -日2)dt dt散熱-4 8.40 10 383 (0.03488 0.01511) T：

9、 (129.49 10)2 (100.87 41.095)二 0.204(w/mK)m 0.005 u q =U 0 = =0.0028、3、3CU 廠.2U 廠 一 2 0.0028 二 0.0041 cE .仝=0.0041 二 0.000068 二 0.0068%59.7752i'Uh、E. h -r h丿i d丿a丿= 0.00219 = 0.219%2Ud U-= J(0.002142 +(2x 0.0002322 +(0.000068l2U , = E, = 0.00219 0.204 =0.0004（w/mK）_=E±U 扎=（2.04±0.01）d0-*（w/mK）上扎= 0.22%（P =0.683&實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢查方法1） 01、$是否同一時間取值，t的值；2）dt、 dt散熱是否取得同一溫度 02的斜率；9.課堂實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)檢查題目1）認(rèn)識實(shí)驗(yàn)裝置、介紹實(shí)驗(yàn)裝置；2）做何實(shí)驗(yàn)，測定哪一個物體的導(dǎo)熱系數(shù)？3）如何測量h、d ?至少測多少次4）mp、Cp是哪一個物體物理