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1、北方民族大学 基础物理实验中心 大学物理实验指导书- 1 -实验二实验二 良导体导热系数测量实验良导体导热系数测量实验导热系数是表征物质热传导性质的物理量。热传导是热交换的三种（热传导、对流和辐射）基本形式之一，是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个研究领域的课题，材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移，在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。在科学实验和工程设计中，所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。本实验仪采用稳定流动法测量良导体(黄铜)的导热系数，测量原理是传统的，
2、而测量方法是新颖的。一、实验目的一、实验目的1了解稳定流动法测定黄铜的导热系数基本原理，掌握其实验要点；2了解液位控制器的控制原理及流速调节；3测定黄铜样品热传导平稳时的四个温度值，用稳定流动法测定黄铜的导热系数。二、实验仪器二、实验仪器FD-CHM-A 型良导体导热系数测量实验仪由实验仪主机箱（内含良导体黄铜样品、四个集成温度传感器、铂电阻温度传感器、电加热器、PID 温控单元、液晶显示模块）及具有流速控制功能的水箱等组成。图-1 良导体黄铜样品三、实验原理三、实验原理设有一粗细均匀的金属圆柱体，其一端为高温端，另一端为低温端，测定时热量将从高温端流向低温端。高温端被加热一段时间之后，若圆柱
3、体上各处的温度不变，而且综合性实验 稳态法测量不良导体的导热系数- 2 -向圆柱体侧面散失的热量也可以忽略时，则在相等的时间内，通过圆柱体各横截面的热量应该相等，这种状态称为热量稳定流动状态。如图 1 所示，假设通过截面的热量多于11AB通过截面的热量，则在两个截面之间的一段圆柱体上就有热量的积聚，温度就要升高，22A B既然圆柱体上各处的温度不变，则说明通过各截面的热量必然相等。图 2 良导体导热系数测定的原理图通过圆柱体各横截面的热量在热量稳定流动状态下，在 时间内，沿圆柱体各截面流过的热量 Q 按傅里叶热传导方程有（1）12TTQStl（1）式中：S 为圆柱体横截面积，、为横截面、处的温
4、度， 为二截面间1T2T11AB22A Bl距离，比例系数 即为被测材料的导热系数。导热系数 的大小表示物质单位长度内温度差为 1时，在单位时间内通过单位截面所传导的热量，单位为。由方程（1）可知，测定良导体导热系数的关键问题11W mK是维持热量稳定流动状态与测定 t 时间内从圆柱体棒中所传过的热量 Q。常使用稳定流动法，即使棒的一端保持稳定的高温，另一端用温度一定，流动速度一定的冷水来吸收棒中传导过来的热量。在热量稳定流动状态下，t 时间内流出的冷却水质量为 m，其温度由流入时的升高到，则被水带走的热量4T3T（2）34()Qmc TT（2）式中 c 为水的比热容。将式(1)以及(d 为圆
5、柱体直径）代人式(2)便可求出 ，即2/ 4Sd（3）34 2 124() ()mlc TT dTT t（3）式中、可用高精度的数字式的温度传感器测量。1T2T3T4T北方民族大学 基础物理实验中心 大学物理实验指导书- 3 -为了实现热量通过样品稳定流动的目的，仪器采用三项措施：（1）保持实验时通过圆柱体各处的热量恒定，防止从圆柱体侧面向外界散发热量，将整个圆柱体用保温材料缠绕并放在保温箱中；（2）高温端热源采用温控器稳定热端的温度，以利于缩短试样热流达到稳定所需的时间；（3）采用液位控制器使流入仪器的冷却水保持恒定的水压，使冷却水的流速稳定，从而较长时间保持待测样品热流恒定。这三项措施保证
6、公式（1）方程的满足，减小实验误差。4、实验内容实验内容1、学习传感器的定标方法；液位控制器的控制原理及冷却水流速的调节方法；1学 习液位控制器的控制原理及冷却水流速的调节方法；2、理解稳定流动法测量良导体导热系数的原理；3、用稳定流动法测量良导体铜的导热系数。5、实验步骤实验步骤(1)根据液位控制器的原理连接流水管道，插上电源，开启电源开关；(2)同过主机箱上“温度控制”的两个按键设置样品热端的加热温度，开始对样品一 端进行加热；(3)在最上方的水箱内盛入冷水，中间的水箱开始蓄水，当中间水箱的水开始从中心 的管道下漏时，可认为中间水箱的水位基本恒定。然后调节流速控制器，使得单位时间内 有适量
7、的稳定流速的水流过样品的冷却端；(4)观察样品上 A、B、D、C 四点相应的温度值为、变化，四个温度1T2T3T4T基本稳定后方可测量数据；(5)样品待测四个温度基本稳定，五分钟内温度值波动在 0.5之内（加热端的温度 示值可能波动较大，但不影响实验），记录待测四个温度值，把干的三角型盛水器放在天 平上称其质量；(6)将盛水器搁置在下方盛水箱一角，盛接样品冷却端流出的热水，同时按下主机箱 上的“开始/停止”键，测量样品冷却端在一定时间内流出的热水的质量，同时再记录样品 上 A、B、D、C 四点的温度值；(7)将测量的数据填入数据表格，并进行数据处理；(8)可以改变冷却水的流速或者样品热端的温度
8、，多次做实验，并验分析实验结果。六、注意事项六、注意事项1防止流速控制器下方盛水箱中的水溢出；2实验用的水要干净，不能带有残渣，以防止堵塞管道；综合性实验 稳态法测量不良导体的导热系数- 4 -3用手指弹动水流管道，可排除管道中的气泡；4使用完毕后，应将所有水箱及管道内的水排干；5若出水速度过慢，可用针型器物或者注射器对各管道接口进行疏通。七、实验记录七、实验记录表 1 良导体导热系数测量温度/1ToC/2ToC/3ToC/4ToC测量开始测量结束平均八、数据处理八、数据处理1统一单位制。2数据处理。（1）黄铜圆柱体直径(多次测量取平均值)为 mm，样品上 A、B 之间的距离L(多次测量取平均值)为 mm。（2）小盛水器的质量 g，盛水后的质量 g，即冷却水吸热后水的质1m2m 量 g。21mmm（3）水的比热，将上述数据带入公式，可得114200cJ kgK34 2 124() ()mlc TT dTT t。11W mK查阅相关资料知，在的条件下，黄铜的导热系数参考值为。020 C1170 183W mK
