1、实验六 金属线膨胀系数测定实验物质内部的分子都处于不停地运动且强弱不同，造成绝大多数材料都表现出热胀冷缩的特性。人们在工程结构设计时，例如在房屋、铁路、桥梁、机械和仪器制造、材料的焊接等行业中一定要考虑到这一因素，如果忽略这一特性，将造成工程结构稳定性差，严重的可造成损毁，使仪表失灵以及在材料焊接中引起缺陷等。线膨胀系数的测定在工程技术中是非常重要的，本实验的目的主要是利用GXZ 2 型金属线膨胀系数测定仪测定不同金属的线膨胀系数。实验目的：1掌握 GXZ2 型金属线膨胀系数测定仪的原理和使用方法。2测量铁和铜两种金属材料的线膨胀系数。3学会使用最小二乘法。实验仪器：GXZ 2 型金属线膨胀系
2、数测定仪，望远镜，标尺照明器， PID 恒温控制器，温度传感器，直尺注：（测温的范围：室温100C，加热电压：95220V 可调。 ）实验原理本实验采用 GXZ2 型金属线膨胀系数测定仪利用电热法及光杠杆原理测定金属线膨胀系数，其优点是结构紧凑，性能稳定克服了汽热法温度场不均匀、误差大等缺点。用此仪器测量管材的线膨胀系数，其误差不超过 3。1材料的线膨胀系数各种材料热胀冷缩的强弱是不同的，为了定量区分它们，人们找到了表征这种热胀冷缩特性的物理量，线膨胀系数和体膨胀系数。本实验只测量线膨胀系数。线膨胀是材料在受热膨胀时，在一维方向上的伸长。在一定的范围内，固体受热后，其长度都会增加，设物体原长为
3、 L，由初温 t1C 加热到末温t2C，物体伸长了 L，则有LL （t 2t 1） （1） （2）)(12t上式表明，物体受热后生长量与温度的增长量成正比，和原长也成正比。比例系数 称为固体的线膨胀系数。2线膨胀系数的测量线膨胀系数是选用材料时的一项重要指标。实验表明，不同材料的线膨胀系数是不同的，塑料的线膨胀系数最大，其次是金属、殷钢，熔凝石英的线膨胀系数很小。人们在实验中发现，同一材料在不同的温度区段，其线膨胀系数是不同的，例如某些合金，在金相组织发生变化的温度附近，会出现线膨胀量的突变。但在温度变化不大的范围内，线膨胀系数仍然是一个常量。因此，线膨胀系数的测定是人们了解材料特性的一种重要
4、手段。在设计任何要经受温度变化的工程结构（如桥梁、铁路等）时，必须采取措施防止热胀冷缩的影响。在式（1）中，L 是一个很小的变化量，以金属为例，若原长L300mm，温度变化 t2t 1100C，金属的线膨胀系数 约为 105 C-1，估计 L0.30mm，这样微小的长度变化，普通米尺、游标卡尺的精度是不够的，可采用千分尺、读数显微镜、光杠杆放大法、光学干涉法等。考虑到测量方便和测量精度，我们采用光杠杆测量。光杠杆的系统是由平面镜及镜座，望远镜和直尺组成的。光杠杆放大原理图如图 1 所示。当金属杆伸长时，从望远镜中可读出待测杆伸长前后十字光标所对标尺的读书为 b1 和 b2，这时有：（3）DlL
5、)(1将（3）带入（2） ，则有： （4） )(21tLlb图 1 光杠杆原理图实验步骤1.安装实验设备。将温度控制器和线膨胀系数测定仪通过温度传感器连接起来。即将温度传感器插入被测管的孔中。将传感器的导线端插入温度传感器的插孔中。将平面反光镜放在线膨胀系数测定仪的指定位置，注意要保证小铁钩与被测物接触。将望远镜和标尺照明器分别固定在望远镜直横尺基座杆上。且保证望远镜的镜头端面与标尺照明器的刻度相平行。同时目测使望远镜的高度和平面反光镜的高度基本在同一水平面上。2.将温度控制器的插座和标尺照明器的插头插在电源插座上。3.目测调节望远镜的位置，即可以在望远镜的旁边观察对面的平面镜，让另一位同学不
6、断调节平面镜的俯仰角，直到看到光亮为止。4.调节用于固定望远镜的螺母，直到通过望远镜可以看到光亮为止。然后再调节望远镜微调旋钮，直到可以清楚的看到标尺的刻度为止。5.调节可控望远镜仰角的旋钮使望远镜的十字光标刚好与标尺刻度线重合。（注意：如果望远镜中亮光视场不完整时，要重新调节望远镜仰角旋钮，使望远镜中亮光视场完整。 ）6.读出十字光标在直尺上的读书 b1，记录初温 t1，打开加热开关，使温度达到指定温度 T1 附近，记下实际温度 t2 和此时标尺刻度为 b2。每隔 20C 记一次 b 的值，直到达到 100C 左右。7.测量平面反光镜与标尺照明器的刻度面的距离 D，将光杠杆在白纸上轻轻压出三
7、个足尖印痕，用游标卡尺测量其前后足尖连线的距离 l。注意事项：1. 做完实验后要将平面反光镜取下放在桌子上。将温度控制器的加热开关和电源开关关闭，并将其与电源断开。2. 做完一次实验之后要等到线膨胀系数测定仪及待测金属管冷却到室温之后才能进行下一次实验。3. 在实验过程中，要使实际温度在设定温度附近并且能稳定 12 分钟后再进行读数。实验报告要求：1至少测三组数据。2以 t 为横坐标，b 为纵坐标作出 bt 关系曲线，求直线斜率 k，并由此计算。3用最小二乘法求直线斜率 k，并计算 的标准误差。思考题：1对于一种材料来说，线膨胀系数是否一定是一个常数？为什么？2你还能想出一种测微小长度的方法，从而测出线膨胀系数吗？3引起 测量误差的主要因素是什么？
