热学实验1 金属线膨胀系数的测定

实验一 金属热膨胀系数的测量

物体因温度改变而发生的膨胀现象叫“热膨胀”。通常在外界压强不变的情况下，大多数物质在温度升高时，其体积增大，温度降低时体积缩小。也有少数物质在一定的温度范围内，温度升高时，其体积反而减小。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。对晶体而言，其热膨胀还有各相异性；如石墨受热时，沿某些方向膨胀，而沿另一些方向则收缩。金属是晶体，它们是由许多晶粒构成的，而且这些晶粒在空间方位上的 排列是无规则的，所以，金属整体表现出各相同性，或称它们的线膨胀在各个方向均相同。因此可以用金属在一维方向上的线膨胀规律来表征它的体膨胀。虽然金属的热膨胀非常微小，但由于使物体发生很小形变时就需要很大的应力。这个特性在工程结构的设计，在机械和仪器的制造中，在材料的加工（如焊接）中，都应考虑到这一因素。 【实验目的】

1．了解FD-LEA金属热膨胀系数实验仪的基本结构和工作原理。 2．掌握千分表和温度控制仪的使用方法。

3．掌握测量金属线热膨胀系数的基本原理，测量铁、铜、铝等的线膨胀系数。 4．学习用图解图示法处理实验数据，并分析实验误差。 【实验原理】

在一定温度范围内，原长为L0（在t0＝0℃时的长度）的物体受热温度升高时，一般固体由于原子或分子的热运动加剧而发生热膨胀，在t（单位℃）温度时，伸长量L，它与温度的增加量t近似成正比，与原长L0也成正比，即：

LL0t （1）

此时总长为：

LtL0L （2）

式中为固体的线膨胀系数，它是固体材料热性能的物理量。在温度变化不大时，是一个常数，可由式（1）和（2）得：

LtL0L1 （3） L0tL0t上式中，的物理意义：在一定温度范围内，当温度每升高1℃时，物体的伸长量L与它在0℃时的原长L0成正比。是一个很小的量，附录中列有几种常见的固体材料的值。

附录t=20℃时几种材料线胀系数（一个大气压）

材 料 铜 铁 铝 石英玻璃  16.7×10-6（℃）-1 11.8×10-6（℃）-1 23.1×10-6（℃）-1 0.4×10-6（℃）-1

在实际的测量当中，通常测得的是固体材料在室温t1下的长度L1及其在温度t1至t2之间的变化量，就可以得到热膨胀系数，这样得到的热膨胀系数是平均热膨胀系数：

L2L1L21 （4） L1t2t1L1t2t1式中L1和L2分别为物体在t1和t2下的长度，△L21＝L2-L1是长度为L1的物体在温度从t1升至t2的变化量。在实验中我们需要直接测量的物理量是L21，L1，t1和t2。

为了得到精确的测量结果，因此，我们需要得到精确的，这样不仅要对L21，t1和

t2进行精确的测量，还要扩大到对Li1和相应的温度ti的测量。即：

Li1L1(tit1) i=1,2,3,…… （5）

在实验中我们等温度间隔的设置加热温度（如等间隔5℃或10℃），从而测量对应的一系列Li1。将所得到的测量数据采用最小二乘法进行直线拟合处理，从直线的斜率可得到一定温度范围内的平均热膨胀系数。

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膨胀量。实验表明，在温度变化不大的范围内，线膨胀系数可认为是一常量。因此测定线胀系数是了解材料特性的一种方法。 【实验仪器和用具】

1、 仪器组成如下图2-1所示

恒温 FD-LEA金属热膨胀系数实验仪 ，千分表， 待测样品

2、仪器操作

千分表是一种测定微小长度变化量的仪表，其外形

结构如图2所示。外套管G用以固定仪表本身；测量杆M被压缩0.2mm 时，指针 H转过一格，而指针P则转过一周，表盘上每周等分 200小格，因此，每小格即代表0.001mm，千分表亦由此得名。测量时，应记住大小指针的起始值，待测量后所测取数值再减去起始值；读数时，视线应垂直于表盘看指针位置，以防视差；如果针位停在刻线之间，可以估读到万分位。

【注意事项】

1. 温度控制设定值不要超过80度。

2. 实验过程中不能振动仪器和桌子，否则会影响千分表读数；千分表是精密仪表，不能用力挤压。

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1～2分钟后再进行读数。 4. 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。 【实验步骤】

1. 将实验样品固定在实验架上，注意被测物体要正对着千分表测量头；

2. 调节千分表和固定架的相对位置，拧紧固定架上的锁紧螺钉，不使千分表转动；

3. 调节固定架的位置，使其处在待测样品的中间，既要保证二者间没有间隙，又要保

证千分尺有足够的伸长空间，拧紧固定架上的锁紧螺栓，在转动千分表圆盘读数为零；

4. 最后检查仪器连接是否正确，仪器各部分的相对位置摆放合适； 5. 打开电源之前仔细检查连接是否正确；

6. 当仪器接通电源等待面板数字显示”b===”时,设定温度;按升温键或降温键,数字即由零逐渐增大直至所需设定值(最高可选80度),此时按确定键,开始对样品加热,同时指示灯亮,发光频闪与加热速率成正比；

7.确定键重复按下可作选择键交替使用,观察当时温度和先前设定值,如需改变设定值可按复位键,重新设置。 【数据记录与处理】

1. 每10℃设定一个控温点，记录样品上的实测温度和千分表上的变化值;

2. 根据数据△L和△t。通过公式y轴）的曲线图，观察其线性;

3. 换用不同的金属棒样品，分别测量并计算各自的线热膨胀系数。与附录提供的参考值进行比较，计算出测量的百分误差EL计算线热膨胀系数并画出△（作tx轴）-L（作L1t-标100%。 标1、固体线热膨胀系数测定表

待测样品：L1 室温:t1 温度（以室温t1为起点，每10oC记录一次） 实测温度 t1(oC) t2(oC) t3(oC) t4(oC) t5(oC) t(0C)ti1ti 千分表读数（mm） L(mm)Li1Li = L L1t【思考题】

1. 该实验的误差来源主要有哪些？

2. 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？ 3. 利用千分表读数时应注意哪些问题，如何消除误差？