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1、（1314实验室）金属线膨胀系数的测量绝大多数物质都具有“热胀冷缩”的特性，这是由于物体内部分子热运动加剧或减 弱造成的。这个性质在工程结构的设计中，在机械和仪器的制造中，在材料的加 工（如焊接）中，都应考虑到。否则，将影响结构的稳定性和仪表的精度。考虑 失当，甚至会造成工程的损毁，仪表的失灵，以及加工焊接中的缺陷和失败等 等。一. 实验目的学习测量金属线膨胀系数的一种方法。二. 实验仪器金属线膨胀系数测量实验装置、FT-RZT-I数字智能化热学综合实验平台、游标卡尺、千分表、待测金属杆金属线膨胀系数测量的实验装置如图1所示内有加热引线和温度传感器引线图1FT-RZT-I数字智能化热学综合实验
2、平台面板如图2所示图2三. 实验原理 材料的线膨胀是材料受热膨胀时，在一维方向的伸长。线胀系数是选用材料的一 项重要指标。特别是研制新材料，少不了要对材料线胀系数做测定。固体受热后其长度的增加称为线膨胀。经验表明，在一定的温度范围内，原长为 L的物体，受热后其伸长量口 L与其温度的增加量口 T近似成正比，与原长L亦 成正比，即 L = L口 T（l）式中的比例系数称为固体的线膨胀系数（简称线胀系数）。大量实验表明，不 同材料的线胀系数不同，塑料的线胀系数最大，金属次之，殷钢、熔凝石英的线 胀系数很小。殷钢和石英的这一特性在精密测量仪器中有较多的应用。几种材料的线胀系数H料约E釣2x fO-釣沪
3、实验还发现，同一材料在不同温度区域，其线胀系数不一定相同。某些合金，在 金相组织发生变化的温度附近，同时会出现线胀量的突变。因此测定线胀系数也 是了解材料特性的一种手段。但是，在温度变化不大的范围内，线胀系数仍可认 为是一常量。为测量线胀系数，我们将材料做成条状或杆状。由（1）式可知，测量出T1时杆 长L （一般，杆在T1时的长度L可以近似等于杆在常温时的长度）、受热后温 度达T2时的伸长量口 L和受热前后的温度T1及T2,则该材料在（Tl，T2）温 区的线胀系数为： = L（2）L（T2口 T1）其物理意义是固体材料在（T1，T2）温区内，温度每升高一度时材料的相对伸长 量，其单位为（口 C
4、）口 1测线胀系数的主要问题是如何测伸长量口 L而口 L是 很微小的，如当L250mm,温度变化T2口 T1-100C，金属的a数量级为10口 5（口 C）口时，可估算出口 L=0.25mm 对于这么微小的伸长量，用普通量具 如钢尺或游标卡尺是测不准的。可采用千分表（分度值为0.001mm）、读数显微 镜、光杠杆放大法、光学干涉法。本实验中采用千分表测微小的线胀量。千分表是一种通过齿轮的多极增速作用，把一微小的位移，转换为读数圆盘上指 针的读数变化的微小长度测量工具，它的传动原理如图3所示，结构如图4所 示，千分表在使用前，都需要进行调零，调零方法是：在测头无伸缩时，松开“调零 固定旋钮”，旋
5、转表壳，使主表盘的零刻度对准主指针，然后固定“调零固定旋 钮”。调零好后，毫米指针与主指针都应该对准相应的0刻度。千分表的读数方法：本实验中使用的千分表，其测量范围是O-lmm。当测杆伸缩0.1mm时，主指针转动一周，且毫米指针转动一小格，而表盘被分成了 100个小 格，所以主指针可以精确到0.1mm的1/100，即0.001mm，可以估读到0.0001m m。即：千分表读数=毫米表盘读数+1口主表盘读数（单位：mm） 10001口 59.8=0.2598 mm 1000 （毫米表盘读数不需要估读，主表盘读数需要估读）例 如：图5中千分表读数为：0.2+P：带齿条的测杆；Z1Z5:传动齿轮；R
6、：读数指针图3挡帽主指针调零固 定旋钮表壳主表盘毫米指针毫米表盘轴套测杆测头 图4图5四、实验步骤1、如图1所示，卸下三个下盘支撑螺钉，安装好实验装置，连接好电缆线。将 铜杆插人加热盘的恒温腔，使其完全在恒温腔内部，将“可调顶紧螺旋”的尖端靠 拢铜杆一端，千分表（已调零好）测头靠拢铜杆的另一端，锁紧“千分表固定螺 钉”，旋动“可调顶紧螺旋”，直到千分表的指针微有旋转（约0.20.3mm）。打 开电源开关，“测量选择”开关旋至“设定温度”档，调节“设定温度粗选”和“设定温 度细选”钮，选择设定加热盘为所需的温度（如40.0C ）值。2、将“测量选择”开关拨向“上盘温度”档，打开加热开关，观察加热
7、盘温度的变 化，直至温度稳定，此时加热盘可能达不到设定温度，可适当调节“设定温度细 选”使其温度达到所需的温度（如40.0C），这时给加热盘设定的温度要高于所 需的温度（如40.0C），把此时温度计为T1，读出千分表数值L1。3、重复步骤2,将设定温度依次递增5口 C且递增9次（如依次为45C、50C、55.0C、60.0C、65.0C、70.0C、75.0C、80.0C、85C），随着温度的上升，千分表开始旋转，当温度达 到某一设定值后，千分表停止动作，依次记下此时的温度值（T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10）及千分表相应的读数（L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、
8、L9、L10）。4、用逐差法求出温度每升高5C时铜杆的平均伸长量，由（2）式即可求出铜杆 在这个温区（如40.0C，85.0C ）内的线胀系数。五、数据记录及处理1测就空数123【川45505565i7075B5干并我谜麒应（mini1 L-,+-1 I mnh)口 L口 Li口 5口 Li口5口 (Li口 15i口 5口 Li）口 （mm）5口（Li口 5口 Li）口口 L 口（L 口 口 口i口 1i口 5口 Li）口5 （mm）3、计算得到铜杆的线胀系数铜杆在（T1口 C T10口 C温区的线胀系数为= L口（Li口 5口 Li）口 1（ C） 25L25L六、注意事项1、千分表安装须适当固定（以表头无转动为准）且与被测物体有良好的接触（读数在0.2一0.3mm处较为适宜）；2、因伸长量极小，故仪器不应有振动；3、千分表测头需保持与实验样品在同一直线上。七、思考题1、试分析哪一个量是影响实验结果精度的主要因素？2、试举出几个在日常生活和工程技术中应用线胀系数的实例。3、若实验中加热时间过长，仪器支架受热膨胀，对实验结果有何影响？
