西安交通大學(xué)物理仿真實驗實驗報告

1、西安交通大學(xué)大學(xué)物理仿真實驗報告姓名：班級：學(xué)號：日期：實驗名稱：良導(dǎo)體熱導(dǎo)率的動態(tài)法測量一實驗?zāi)康?通過實驗學(xué)會一種測量熱導(dǎo)率的方法。2解動態(tài)法的特點和優(yōu)越性。3認(rèn)識熱波，加強對撥動理論的理解。二實驗原理實驗采用熱波法測量銅、鋁等良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率。簡化問題，令熱量沿一維傳播，周邊隔熱,如圖1所示。根據(jù)熱傳導(dǎo)定律，單位時間內(nèi)流過某垂直于傳播方向上面積A的熱量，即熱流為（1） 其中K為待測材料的熱導(dǎo)率，A為截面積，文中是溫度對坐標(biāo)x的梯度,負號表示熱量流動方向與溫度變化方向相反dt時間內(nèi)通過面積A流入的熱量 圖1 棒 元 若沒有其他熱量來源或損耗，據(jù)能量守恒定律，dt時間內(nèi)流入面積A的熱量等于溫度

2、升高需要的熱量，其中C，分別為材料的比熱容與密度。所以任一時刻棒元熱平衡方程為（2）由此可得熱流方程（3）其中，稱為熱擴散系數(shù)式（3）的解將把各點的溫度隨時間的變化表示出來，具體形式取決于邊界條件，若令熱端的溫度按簡諧變化，即（4）其中Tm是熱端最高溫度，w 為熱端溫度變化的角頻率。另一端用冷水冷卻，保持恒定低溫，則式（3）的解也就是棒中各點的溫度為（5）其中T0是直流成分，是線性成分的斜率，從式（5）中可以看出：1) 熱端(x=0)處溫度按簡諧方式變化時，這種變化將以衰減波的形式在棒內(nèi)向冷端傳播，稱為熱波 2) 熱波波速： （6）3) 熱波波長： （7）因此在熱端溫度變化的角頻率已知的情況下

3、，只要測出波速或波長就可以計算出 D然后再由計算出材料的熱導(dǎo)率K本實驗采用.式（6）可得 則（8）其中，f、T分別為熱端溫度按簡諧變化的頻率和周期實現(xiàn)上述測量的關(guān)鍵是：1) 熱量在樣品中一維傳播2) 熱端溫度按簡諧變化三實驗儀器1. 儀器結(jié)構(gòu)樣品選擇樣品組受控脈動熱源水冷裝置傳感器陣列主控單元信號調(diào)理單元手動、程控選擇單元A/D轉(zhuǎn)換計算機電源組X-Y記錄儀（可選）打印機（可選）手動程控實驗儀器結(jié)構(gòu)框圖見圖2(a)，該儀器包括樣品單元，控制單元和記錄單元三大部分實際儀器由兩種工作方式：手動和程控他們都含樣品單元和控制單元，不同的只是記錄單元前者用高精度x-y記錄儀，后者用微機實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制

4、、數(shù)據(jù)的采集、記錄和繪圖，學(xué)生自行數(shù)據(jù)處理 圖2(a) 熱導(dǎo)率動態(tài)測量以結(jié)構(gòu)框圖儀器主機由用絕熱材料緊裹側(cè)表面的園棒狀樣品（實驗取銅和鋁兩種樣品）、熱電偶列陣（傳感器）、實現(xiàn)邊界條件的脈動熱源及冷卻裝置組成，見示意圖2(b)樣品中熱量將只沿軸向傳播，在任意一個垂直于棒軸的截面上各點的溫度是相同的，于是，只要測量軸線上各點溫度分布，就可確定整個棒體上的溫度分布溫度的測量采用熱電偶列陣將熱電偶偶端均勻插在棒內(nèi)軸線處，兩個相鄰偶間距離均為2cm，為保持棒尾的溫度恒定，以防止整個棒溫起伏，用冷卻水冷卻 圖2(b) 主機結(jié)構(gòu)示意圖圖2(C) 熱導(dǎo)率動態(tài)儀實物圖 圖2(d) 控制面板2. 脈動熱源及冷卻裝

5、置為實現(xiàn)熱溫度隨時間做簡諧變化，在樣品棒的一端放上電熱器，使電熱器始終處于T/2開、T/2關(guān)的交替加熱的狀態(tài)，于是電熱器便成了頻率為 T的脈動熱源(圖3(a)。由于存在熱滯后，并不是加熱器一停止加熱，棒端溫度就立刻冷卻下來。為增加曲線變化幅度，由電腦控制“進水電磁閥門”使得在加熱半周期時，熱端停止供水；停止加熱半周期時，熱端供水冷卻。為了保證冷卻處于一個穩(wěn)定的溫度T0，冷斷要一直保持供水。當(dāng)脈動熱源加熱到一定時間后，棒的熱端就會出現(xiàn)穩(wěn)定的幅度較大的溫度脈動變化（圖3(b)）當(dāng)熱量向冷端傳播時，根據(jù)傅里葉分解，則棒端溫度為脈動形式：（9）式(9)說明T是由倍頻的多次諧波組成，當(dāng)這些諧波同時沿棒向

6、冷端傳播時，高次諧波迅速衰減，見圖3(c)，約至67厘米后就只?；?，其波形為EEEttt (a) (b) (c)圖3 簡諧熱端溫度的形成（10）若取此處x=0，它就是邊界條件式(4)溫差電偶列陣中各點均為由熱端傳來的與式（10）一樣的熱波實驗中還需提供一個周期與基波相同的方波做計算位相差的參考方波，用它參考求出波速V，已知周期T，可用式（8）計算K值3 控制單元及作用 控制單元包括主控單元和相關(guān)幾個單元，作用是：1） 對來自熱電耦的待測溫度信號進行調(diào)理。2） 提供“手動”和“程控”兩種工作方式。仿真軟件采用程控模式，操作軟件控制實驗的進行。3） 提供周期為60，120，180，240秒的參考

7、方波。4） 控制加熱器半周期開，半周期關(guān)的周期性供電。5） 控制進水電磁閥門半周期熱端停水，停止加熱的半周期進水。4. 數(shù)據(jù)記錄 “程控”方式下數(shù)據(jù)自動發(fā)送到電腦進行記錄和處理，處理過程參見“實驗指導(dǎo)”中的“操作軟件使用”。四 實驗內(nèi)容測量銅棒和鋁棒的導(dǎo)熱率。實驗場景圖1 打開水源，從出水口觀察流量，要求水流穩(wěn)定1) 熱端水流量較小時，待測材料內(nèi)溫度較高，水流較大時，溫度波動較大。因此熱端水流要保持一個合適的流速，大約200ml/分。仿真軟件對應(yīng)實驗場景中表示流速的箭頭 保持一個合適的大?。ù笮∪纭啊奔纯桑?） 冷端水流量要求不高，只要保持固定的室溫即可。一般取200ml/分，仿真軟件對應(yīng)實

8、驗場景中表示流速的箭頭保持對應(yīng)的大小。3） 調(diào)節(jié)水流的方法是保持電腦操作軟件的數(shù)據(jù)顯示曲線幅度和形狀較好為好。4） 兩端冷卻水管在兩個樣品中是串連的，水流先走鋁后走銅。一般先測銅樣品，后測鋁樣品,以免冷卻水變熱。5) 實際上不用冷端冷卻水也能實驗，只是需要很長時間樣品溫度才能動態(tài)平衡。而且環(huán)境溫度變化會影響測量。 水流調(diào)節(jié)在仿真軟件中是通過在實驗場景中鼠標(biāo)點擊對應(yīng)水龍頭完成的。2 打開電源開關(guān)，主機進入工作狀態(tài)在實驗場景中通過鼠標(biāo)右鍵彈出菜單，選擇儀器電源開關(guān)。3.“程控”工作方式1) 完成前述實驗步驟，調(diào)節(jié)好合適的水流量。因進水電磁閥初始為關(guān)閉狀態(tài)，需要在測量開始后加熱器停止加熱的半周期內(nèi)才

9、調(diào)整和觀察熱端流速。2) 打開操作軟件。 操作軟件使用方法參見“實驗指導(dǎo)”中“操作軟件使用”部分說明。3) 接通電源。在實驗場景中鼠標(biāo)右鍵彈出菜單，選擇“打開電源”接通測量儀器電源。4）在控制軟件中設(shè)置熱源周期T（T一般為180s）。選擇銅樣品或鋁樣品進行測量。測量順序最好先銅后鋁。6) 設(shè)置x,y軸單位坐標(biāo)。x方向為時間，單位是秒，y方向是信號強度，單位為毫伏(與溫度對應(yīng))。7) 在“選擇測量點”欄中選擇一個或某幾個測量點。8) 按下“操作”欄中“測量”按鈕，儀器開始測量工作，在電腦屏幕上畫出Tt曲線簇，如下圖所示。上述步驟進行40分鐘后，系統(tǒng)進入動態(tài)平衡，樣品內(nèi)溫度動態(tài)穩(wěn)定。此時按下“暫停

10、”，可選擇打印出曲線，或在界面頂部“文件”菜單中選擇對應(yīng)的保存功能，將對應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲下來，供數(shù)據(jù)測量所用?！捌交惫δ鼙M量不要按，防止信號失真。9) 實驗結(jié)束后，按順序先關(guān)閉測量儀器，然后關(guān)閉自來水，最后關(guān)閉電腦。這樣可以防止因加熱時無水冷卻導(dǎo)致儀器損壞。銅的熱導(dǎo)率測量：鋁的熱導(dǎo)率測量：4. 數(shù)據(jù)處理測量數(shù)據(jù)額Tt曲線簇計算機將該數(shù)據(jù)保存好后進行數(shù)據(jù)處理。從得到的Tt曲線簇中選取數(shù)條曲線進行處理，一般銅取6條，鋁取5條。對取出的曲線測出其峰值。上圖中一共取了7條曲線，對應(yīng)的測量點位置分別為l1=0cm, l2=2cm, l3=4cm,l7=12cm，每條曲線對應(yīng)峰值的時間分別為t1,t2, t

11、7。相鄰曲線峰值對應(yīng)的時間差和距離差分別為Dt和Dl。曲線1和6對應(yīng)的時間差為t6-t1=5Dt,距離差為l6 l1= 5Dl。則熱波波速：。根據(jù)式（8）即可得到樣品的熱導(dǎo)率,單位是w/(m*K)。 1. 計算銅的熱導(dǎo)率： 2. 計算鋁的熱導(dǎo)率：五注意事項1仿真軟件操作提示：在界面上單擊鼠標(biāo)右鍵或選擇“實驗幫助”，選擇彈出菜單的“實驗內(nèi)容”、“實驗指導(dǎo)”指導(dǎo)實驗進行。鼠標(biāo)在界面移動時，相應(yīng)物體位置會出現(xiàn)提示信息。2 為防止因加熱時無水冷卻導(dǎo)致儀器損壞，實驗前要首先打開冷熱端進水龍頭，實驗結(jié)束時要先關(guān)閉測量儀器，然后關(guān)閉自來水，最后關(guān)閉電腦。3實驗中盡量保持熱端水流穩(wěn)定，以免水流波動導(dǎo)致系統(tǒng)無法

12、達到動態(tài)平衡，從而影響測量結(jié)果。4 測量過程中，無法更改樣品類型和熱源周期，暫停時候可以更改加熱周期。實驗前選好熱源加熱周期，周期一般取180s。實驗中盡量不要變動熱源周期，以免破壞系統(tǒng)的動態(tài)平衡。5 實驗中一次測量中超過最大時間長度9000s后，系統(tǒng)將自動停止測量。如果需要繼續(xù)測量，請先保存當(dāng)前數(shù)據(jù)后在“新建”新的數(shù)據(jù)文件進行測量。6 選擇工具欄“刷新”功能，將按照當(dāng)前操作軟件設(shè)置刷新數(shù)據(jù)顯示。7 按下“暫?！卑粹o后，加熱器暫停加熱，熱端開始進水。暫停期間系統(tǒng)暫停測量數(shù)據(jù)。按下“測量”恢復(fù)運行時，當(dāng)前時刻與暫停前時刻之間數(shù)據(jù)顯示的一條直線表示暫停期間沒有數(shù)據(jù)測量。8 按下“平滑”按鈕平滑數(shù)據(jù)時，將覆蓋當(dāng)前數(shù)據(jù)。如果要保留當(dāng)前數(shù)據(jù)，請在平滑前進行保存。9 為了避免殘余高次諧波對測量的影響，在數(shù)據(jù)處理前最好先對數(shù)據(jù)曲線進行濾波處理。按下“濾波”按鈕將對當(dāng)前數(shù)據(jù)顯示區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)進行處理，處理結(jié)果中只保留當(dāng)前顯示區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)。如果需要保留其他數(shù)據(jù)，請在濾波處理前保存。10“濾波”處理時，要保證數(shù)據(jù)顯示區(qū)內(nèi)至少有2個完整周期的以上數(shù)據(jù)，否則將造成處理結(jié)果不理想。11按下“計算”按鈕進入“ 數(shù)據(jù)處理”窗口系統(tǒng)認(rèn)為本次測量結(jié)束，將自動停止測量。如果需要繼續(xù)測量時，請關(guān)閉“數(shù)據(jù)處理”窗口后，重新建立一個數(shù)據(jù)文件，然后在開始測量。12按下“計算”按鈕進入“ 數(shù)據(jù)處