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1、4实验六 金属线胀系数的测定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，在材料的加工中，都应考虑到， 否则，将影响结构的稳定性和仪表的精度。材料的线膨胀系数是材料受热膨胀时，在一维方向上的伸长，线胀系数是选用材料的一项重要指标。本实验采用光杠杆的原理来测量微小量。【实验目的】1 掌握测定金属杆线膨胀系数的方法。2 掌握用光杠杆测量微小伸长量的原理。【实验仪器】GXZ 2金属线胀系数仪、光杠杆、米尺、望远镜、游标卡尺、待测金属杆。【仪器简介】仪器结构GXZ 2金属线胀系数仪结构见图 1,加热采用加热带。有二
2、种测试管（铜、铁）。温度传感器保温管被测管加热带PID温度控制器感器力R热开关电源开关使用方法1、GXZ 2金属线胀系数|9制。温度的测量采用的是温度传感器“PID温度控制器”控制，保险管安装在电源插座内。 首先将金属线胀系数仪温度传感器和加热带的线与 打开电源开关，温度控制器的数码管亮，便可按需要开始设置。电压控制部分及温度控制部分都由“ 温度传感器与“PID温度控制器”控PID温度控制器”连接在一起，温度通过“PID温度控制器”具体操作步骤：PID温度控制器连接好，插好电源线，a. 使用软件锁：要防止设置的参数被其它人更改，可使用软件锁功能。设置方式：按住 “SET”键约3秒钟以上待测量显
3、示窗显示“ LC”时松开，再按“”或“”键，下排显示窗显示“ OFF”时表示加锁，显示“ ON”时表示不加锁。b. 设置“控制”值：在软件锁打开的状态下，按照所需值，例如所需控制温度为90C, 则使下排数码管显示改变至“ 90”即可。c. 设置“误差修正”值：当确定包括传感器在内的控制系统出现误差而不能与更高精度等级的测量装置取得一致结果时，可使用“修正”功能，以取得一致。设置方式：按“SET”键约3秒钟，至测量显示窗显示为“ 5C”时松开，再按“”或“”键在误差修正范围内 设置一个与误差方向相反的相同值即可。d. 需要加热时，将加热开关打向上，加热带带电，同时指示灯亮。“PID温度控制器”的
4、面板布置及操作：1）显示窗口： 上排为测量值显示窗，设置二级参数时，显示设定项目代号； 下排为设定值显示窗，设置二级参数时，显示设定项目数值； SET:二级参数设置键，按 3秒钟即进入设置状态； AT:自整定指示灯；OUT控制输出指示灯；:减数键；:加数键。2 ）二级参数设置：代号设定项目可设置范围出厂设定5C测量误差修正-20 20 或-19.9 19.9 COLC已设置参数锁定OFF锁定；ON不锁定ONP比例带0 40%27I积分时间0 999S750d微分时间0 999S102PS比例偏显功能-50 +50-20表中“代号”指仪表上排显示窗在二级参数设置状态时所显示的字符，按加数键“”或
5、 减数键"”，相对应的设置值在下排显示窗中显示，改变至需要的值即可投入使用。某一项 目设置完再按一次功能键“ SET即转入下一设置项目，或回到工作状态。【实验原理】固体受热后发生体积膨胀，分别在x、y、z方向的膨胀称线膨胀。对于杆状物体，只研究在杆长方向的膨胀，当原长为 L的杆状物，在一定温度范围内，受热后其伸长量：L与原长L成正比，与所加温度增量 :t近似成正比，即：L ,L：t（ 1）式中比例系数:称线膨胀系数，在温度变化不太大的情况下，对一定的物质材料，:-是一个常量，材料不同，：值不同，如塑料值很大，金属次之，熔凝石英:-值很小。对杆状待测物，测出温度为 ti时的杆长L,受热
6、后温度到达t2时，伸长量为丄，则该固 体材料在ti，t2温度范围内的线胀系数_丄 1（2）L t ti:-的物理意义：固体材料在 ti, t2温度范围内，温度每升高 1C时，固体材料的相对伸长量, 其单位为：C -1公式（2）中只有 L是微小变化量，是眼睛看不见的，我们采用光杠杆放大原理来测量。 光杠杆放大原理参看图 2:M （镜面）S标尺b光杠杆图2 光杠杆放大原理“.由图可得：tg '-btg2 =n2 niD当杆状物伸长 L时，光杠杆的单足尖抬高 二角，反射镜面向前倾 二角, 杆镜面的光线和其反射到标尺的光线之间的夹角为2二。丁角 V 很小，tg V - Vtg2v :- 2b2
7、D(n2 -m)(3)门少- ni2D放大倍数：A 二=Lb将（3）式代入（2）式得a =b2DLt2 一 1此式为光杠杆法测量:的公式，式中，ni, n2为ti与t2温度时，读数望远镜中标尺照明器像 上的对应读数；D为光杠杆镜面到标尺照明器的距离；b为光杠杆前后足的垂直距离。【实验步骤】1.如图3所示，将待测管装入加热管内，在待测管的小孔中插入温度传感器，加热温度由PID温度控制器控制和显示。怖标尺照明器望远镜产2. 实验前把被 直到铜管底端接触 放在仪器平台上的凹 面。3. 用眼睛移动标尺照明器， 辨，再调节目镜，使望远镜中的十字叉丝清晰，同时读出水平叉丝在标尺上的位置ni。4接通PID温
8、度控制器电源，调节控制温度，开始加热，观察温度显示及望远镜读数的光杠杆图3 测量金属线 只出，用米尺测出室温 !线胀系数测定仪的底部， 尽量使小镜的镜面?望远镜的上方观察光杠杆小镜中是能看到标尺的像,i数的装置时白然丿 望远镜奉长 把光勺镜面L，然后把铜管慢慢放入加热管中 杠杆单尖足放在铜管顶端，和标尺照明温度时垂直于水平平双尖足传感器加热幵关电原开关&如果目明器的标尺像。世如果没有，左右环看,晰可变化。每隔一段时间同时测 t与n所对应的读数，共测 8个数据。5 关闭电源，用米尺量出小反射镜到标尺的距离D,用游标卡尺测出光杠杆后足尖到前足线的垂直距离b。6 .由式（4）求出铜杆的线膨胀系数 ：，并与标准值比较。7 按同样的方法，求出铁管的线膨胀系数：，并与标准值比较。【数据记录及处理】D =mm , b = mm , t i = °C, L = mm , n i = mm测量次数12345678温度t2/ C读数n/mm-ia / C【注意事项】i.因通入加热带的电压比较高，金属线胀系数仪要可靠接地，为了注意安全，仪器需由专6业人员维修。要与原保2做实验时，注意放光杠杆时要小心，以免打碎光杠杆。3PID 温度控制器的保险管安装在电源插座内。更换的保险管电流值不能太大，险相同。7