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1、实验二十七金属线胀系数的测量绝大多数物质具有热胀冷缩的特性，在一维情况下，固体受热后长度的增加称 为线膨胀。在相同条件下，不同材料的固体，其线膨胀的程度各不相同，我们引入 线膨胀系数来表征物质的膨胀特性。线膨胀系数是物质的基本物理参数之一，在道 路、桥梁、建筑等工程设计，精密仪器仪表设计，材料的焊接、加工等各种领域， 都必须对物质的膨胀特性予以充分的考虑。利用本实验提供的固体线膨胀系数测量 仪和温控仪，能对固体的线膨胀系数予以准确测量。【实验目的】1 测定固体样品的线胀系数，了解线胀系数的概念并进行实际测量；2 了解温度传感器的特性，对温度传感器温度、输出特性进行具体的测量；3 了解掌握测微小
2、位移的一种方法一一数字千分表测量法。【实验仪器】金属线膨胀实验仪、ZKY-PID温控实验仪、千分表【实验原理】为了定量的描述固体材料的热胀冷缩特性，在物理学中引进了线胀系数的概念。线胀系数：定义为固体温度上升 1C时，其线度伸长量与0C是的线度Lo之比,设固体温度升高到t C时的长度为L，则线胀系数为:_ L Lo一Lot(27-1 )根据上式测定线胀系数时，Lo的测定不易实现，下面我们推求初温不为 0C时,线胀系数的表示式。若固体温度由ti C升到t2 C,其长度分别为Li、L2，则由上式可得：Li 二 Lo V : ti , L2 二 Lo 1： t2(27-2 )上式两边分别相除得：Li
3、ti(27-3 )L2id t2整理后得：:=L2 _LiL(27-4 )Lt -LzhL 亿一ti )式中，.L =L2 -Li为微小伸长量，测出了温度 ti和t2，长度Li和L2，即可由上式求 得线胀系数数值。【实验步骤与要求】1 检查仪器后面的水位管，将水箱水加到适当值平常加水从仪器顶部的注水孔注入。若水箱排空后第1次加水，应该用软管从出水孔将水经水泵加入水箱，以便排出水泵内的空气，避免水泵空转（无循环水流 出）或发出嗡鸣声。2 设定PID参数若对PID调节原理及方法感兴趣，可在不同的升温区段有意改变PID参数组合，观察参数改变对调节过程的影响。若只是把温控仪作为实验工具使用，则可按以下
4、的经验方法设定PID参数：1-2KP =3 -T, T, =30 TD =1 99lT为设定温度与室温之差。参数设置好后，用启控/停控键开始或停止温度调节。3 测量线膨胀系数实验开始前检查金属棒是否固定良好，千分表安装位置是否合适。一旦开始升 温及读数，避免再触动实验仪。为保证实验安全，温控仪最高设置温度为60度。若决定测量n个温度点，则每次升温范围为.Vtm.60 -室温n。为减小系统误差，温度的设定值每次提高 “，温度在新的设定值达到平衡后，记录温度及千分表读数于 表中。n （次）12345678910t(C )L(mm )4 用ti与Li数据作L -t图线，求其直线斜率 K值。5 计算线
5、胀系数:的不确定度。根据公式=-L L-t，则有 <L1 = K，故=K L1 （式中 Lt = 50cm）。【预习思考题】1.本实验所用仪器和用具有哪些？如何将仪器安装好？操作时应注意哪些问题？2 分析本实验中各物理量的测量结果，哪一个对实验误差影响较大？【课后习题】1开始测量时，千分表若没有和金属杠相接触，对测量结果有什么影响。2根据实验室条件你还能设计一种测量L的方案吗？【附录】一、金属线膨胀实验仪仪器外型如图27-1所示。金属棒的一端用螺钉连接在固定端，滑动端装有轴承,金属棒可在此方向自由伸长。通过流过金属棒的水加热金属，金属的膨胀量用千分 表测量。支架都用隔热材料制作，金属棒外
6、面包有绝热材料，以阻止热量向基座传 递，保证测量准确。进水孔出水孔千分表基座空心金属棒图7-1金属线膨胀实验仪图27-3金属线涨系数测量仪、开放式PID温控实验仪温控实验仪包含水箱，水泵，加热器，控制及显示电路等部分。世纪中科启控停控O加热实验ZKY-PID开放式PID温控实验仪电源关图27-2温控实验仪面板本温控试验仪内置微处理器，带有液晶显示屏，具有操作菜单化，能根据实验 对象选择PID参数以达到最佳控制，能显示温控过程的温度变化曲线和功率变化曲 线及温度和功率的实时值，能存储温度及功率变化曲线，控制精度高等特点，仪器 面板如图27-2所示。开机后，水泵开始运转，显示屏显示操作菜单，可选择
7、工作方式，输入序号及 室温，设定温度及 PID参数。使用 »键选择项目，键设置参数，按确认键 进入下一屏，按返回键返回上一屏。进入测量界面后，屏幕上方的数据栏从左至右依次显示序号，设定温度，初始 温度，当前温度，当前功率，调节时间等参数。图形区以横坐标代表时间，纵坐标 代表温度（功率），并可用键改变温度坐标值。仪器每隔15秒采集1次温度及加热功率值，并将采得的数据标示在图上。温度达到设定值并保持两分钟温度波动小于0.1度，仪器自动判定达到平衡，并在图形区右边显示过渡时间ts，动态偏 差b，静态偏差e。一次实验完成退出时，仪器自动将屏幕按设定的序号存储（共 可存储10幅），以供必要时分析，比较。三、千分表千分表是用于精密测量位移量的量具，它利用齿条-齿轮传动机构将线位移转变为角位移，由表针的角度改变量读出线位移量。大表针转动1圈（小表针转动1格），代表线位移0.2mm ,最小分度值为0.001mm。