實驗金屬線膨脹系數(shù)測量

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1、金屬線膨脹系數(shù)測量實驗講義編輯整理曾2009-9-15(FB712型金屬線膨脹系數(shù)測定儀)浙江大學物理實驗中心杭州精科儀器有限公司型號規(guī)格單位數(shù)量備注FB712型金屬線膨脹系數(shù)測定儀臺1被測件測試架臺1千分表只1傳感器連接線根2L=80cm紅黑各一根小漏斗只1電源線根1實驗講義(說明書)本1金屬線膨脹系數(shù)的測量絕大多數(shù)物質(zhì)都具有“熱脹冷縮’’的特性，這是由于物體內(nèi)部分子熱運動加劇或減弱造成的。這個性質(zhì)在工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，在機械和儀器的制造中，在材料的加工(如焊接)中，都應(yīng)考慮到。否則，將影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和儀表的精度。考慮失當，甚至會造

2、成工程的損毀，儀器的失靈，以及加工焊接中的缺陷和失敗等等?！緦嶒災康摹?、學習測量金屬線膨脹系數(shù)的一種方法。2、學會使用千分表?！緦嶒瀮x器】FB712型金屬線膨脹系數(shù)測量儀實驗裝置，如圖1、圖2所示圖1金屬線膨脹系數(shù)測定儀測試架結(jié)構(gòu)示意圖102圖2FB712型金屬線膨脹系數(shù)測定儀面板【實驗原理】材料的線膨脹是材料受熱膨脹時，在一維方向的伸長。線脹系數(shù)是選用材料的一項重要指標。特別是研制新材料，少不了要對材料線脹系數(shù)做測定。固體受熱后其長度的增加稱為線膨脹。經(jīng)驗表明，在一定的溫度范圍內(nèi)，原長為L的物體，受熱后其伸長量△L與其溫度的增加量

3、△t近似成正比，與原長L亦成正比，即：　　　　　　　　　　　△L=α·L·△t　　　　　　　　　(1)式中的比例系數(shù)α稱為固體的線膨脹系數(shù)(簡稱線脹系數(shù))。大量實驗表明，不同材料的線脹系數(shù)不同，塑料的線脹系數(shù)最大，金屬次之，殷鋼、熔融石英的線脹系數(shù)很小。殷鋼和石英的這一特性在精密測量儀器中有較多的應(yīng)用。幾種材料的線脹系數(shù)材料銅、鐵、鋁普通玻璃、陶瓷殷鋼熔凝石英數(shù)量級實驗還發(fā)現(xiàn)，同一材料在不同溫度區(qū)域，其線脹系數(shù)不一定相同，某些合金，在金相組織發(fā)生變化的溫度附近，同時會出現(xiàn)線脹量的突變。另外還發(fā)現(xiàn)線膨脹系數(shù)與材料純度有關(guān)，某些材料摻雜后

4、，線膨脹系數(shù)變化很大。因此測定線脹系數(shù)也是了解材料特性的一種手段。但是，在溫度變化不大的范圍內(nèi)，線脹系數(shù)仍可認為是一常量。為測量線脹系數(shù)，我們將材料做成條狀或桿狀。由(1)式可知，測量初始桿長L、受熱后溫度從t1升高到t2時的伸長量△t和受熱前后的溫度升高量△t(△t=t2－t1)，則該材料在(t1，t2)溫度區(qū)域的線脹系數(shù)為：（2）其物理意義是固體材料在（t1，t2)溫度區(qū)域內(nèi)，溫度每升高1℃時材料的相對伸長量，其單位為（℃）－1測量線脹系數(shù)的主要問題是如何測伸長量△L。我們先粗估算一下△L的大小，若L=250mm，溫度變化t2一t

5、1≈100℃，金屬的α數(shù)量級為×10－5（℃）－1，估算△L=α·L·△t≈0.25mm。對于這么微小的伸長量，用普通量具如鋼尺或游標卡尺是測不準的?？刹捎们Х直?分度值為1020．001mm)、讀數(shù)顯微鏡、光杠桿放大法、光學干涉法等方法測量。本實驗就用分度值為0．001mm的千分表測量?！緦嶒瀮?nèi)容和步驟】⒈把樣品空心銅棒、鋁棒安裝在測試架上。在室溫下用米尺重復測量金屬桿的原有長度2～3次，記錄到表1中，求出L原有長度的平均值。2．參照圖1安裝好實驗裝置，連接好加熱膠管，打開電源開關(guān)，以便從儀器面板水位顯示器上觀察水位情況。水箱容積大

6、約為750ml。3．加水步驟：先打開機箱頂部的加水口和后面的溢水管口橡膠蓋，用漏斗從加水口往系統(tǒng)內(nèi)加水，管路中的氣體將從溢水管口跑出，直到系統(tǒng)的水位計僅有上方一個紅燈亮，其余都轉(zhuǎn)變?yōu)榫G燈時，可以先關(guān)閉溢水管口橡膠蓋。接著可以按下強制冷卻按鈕，讓循環(huán)水泵試運行，由于系統(tǒng)內(nèi)可能存在大量氣泡，造成水位計顯示虛假水位，只有利用循環(huán)水泵試運行過程，把系統(tǒng)內(nèi)氣體排出，這時候水位下降，儀器自動保護停機。(說明：為了保護加熱器不損壞，儀器設(shè)計了自動保護裝置，只有水位正常狀態(tài)才能啟動加熱或強制冷卻裝置，系統(tǒng)水位過低、缺水將自動停機。)因此，在虛假水位顯

7、示已滿的情況下，可采用反復啟動強制冷卻按鈕，利用循環(huán)水泵的間斷工作把管路中的空氣排除，即啟動強制冷卻按鈕一自動停機一再加水的反復過程，直到最終系統(tǒng)的水位計穩(wěn)定顯示，水位計只剩上方一個紅燈未轉(zhuǎn)變?yōu)榫G燈，此時必須停止加水，以防水從系統(tǒng)溢出，流淌到實驗桌上。接下來即可進行正常實驗，實驗過程中發(fā)現(xiàn)水位下降，應(yīng)該適時補充。4．設(shè)置好溫度控制器加熱溫度：金屬管加熱溫度設(shè)定值可根據(jù)金屬管所需要的實際溫度值設(shè)置。5．將銅管(或鋁管)對應(yīng)的測溫傳感器信號輸出插座與測試儀的介質(zhì)溫度傳感器插座相連接。將千分尺裝在被測介質(zhì)銅管(或鋁管)的自由伸縮端固定位置上

8、，使千分表測試端與被測介質(zhì)接觸，為了保證接觸良好，一般可使千分表初讀數(shù)為O．2mm左右，只要把該數(shù)值作為初讀數(shù)對待，不必調(diào)零。(如認為有必要，可以通過轉(zhuǎn)動表面，把千分尺主指針讀數(shù)基本調(diào)零，而副指針無調(diào)零裝置。⒍正常測量時