金屬線脹系數(shù)測定實驗儀的研究綜述

章韋芳 強曉明

合肥師范學(xué)院電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601

金屬線脹系數(shù)的測定是大學(xué)物理實驗中一個基本的熱學(xué)實驗。絕大多數(shù)物質(zhì)受熱都要膨脹，各種各樣的工程結(jié)構(gòu)如房屋、鐵路、機(jī)械等。如果沒有事先考慮到這一特性，則可能造成嚴(yán)重的后果[1]。因此，表征物質(zhì)受熱膨脹規(guī)律的熱脹系數(shù)成為選用材料的一項重要指標(biāo)。材料的線膨脹是材料受熱膨脹時，在一維方向上的伸長。線脹系數(shù)是表征這一伸長性能的重要參數(shù)。

1 實驗原理

在一定的溫度范圍內(nèi)[2]，固體受熱后，其長度都會增加，設(shè)物體原長為L，由初溫t1加熱至末溫t2，物體伸長了△L，則有

上式表明，物體受熱后其伸長量與溫度的增加量成正比，和原長也成正比。比例系數(shù)αl稱為固體的線脹系數(shù)。在金屬的線脹系數(shù)測量實驗中，主要的問題是怎樣給金屬棒升溫和如何測準(zhǔn)溫度變化所引起的長度微小變化△L。迄今為止，出現(xiàn)過許多用不同加熱方法、不同測量長度微小變化的方法組合成的實驗儀。并且，隨著科技和實驗方法的發(fā)展，測量微小長和度溫度的儀器也有很大的發(fā)展和改進(jìn)，從而又出現(xiàn)了許多種用精密儀器測量長度微小變化和溫度的金屬線脹系數(shù)實驗儀?？傮w分析，有以下幾種不同的加熱金屬、測量長度微小變化和測量溫度的方法。

2 實驗方法分析

2.1 加熱金屬的方法

2.1.1 流水加熱法[3]

在這種實驗儀中，金屬棒水平放置，采用恒溫水進(jìn)行加熱。這種儀器在使用中由于水管老化等問題稍不注意就會漏水。儀器使用壽命不長。金屬棒加熱溫度的上限只有九十多度。很難滿足更大范圍實驗數(shù)據(jù)的測量。

2.1.2 水蒸氣加熱法[3]

在這種實驗儀中，金屬棒豎直放置在一個金屬桶內(nèi)，金屬升溫是依靠蒸汽鍋產(chǎn)生的蒸汽加熱。這種儀器的缺點是輸蒸汽管非常容易老化，產(chǎn)生漏氣或燙傷；排出的蒸汽使實驗室環(huán)境潮濕；蒸汽在實驗開始時進(jìn)入金屬桶內(nèi)會冷凝，產(chǎn)生的液體水不好進(jìn)行處理；加熱的溫度最高為100度，使實驗數(shù)據(jù)測量范圍無法擴(kuò)展。

2.1.3 電加熱法

利用金屬是熱的良導(dǎo)體的特性，現(xiàn)在一般采用電加熱法：采用電阻絲加熱的方法使導(dǎo)熱性能良好的加熱槽或加熱盤[4]升溫，然后使與加熱盤或加熱槽接觸良好的金屬棒升溫，達(dá)到加熱的目的。這種加熱方式的缺點是接觸不良好的話，加熱效果就很差，且會使金屬棒受熱不均勻。

在這三種加熱方法中，雖然前兩種方法使金屬棒受熱均勻，但由于實驗儀器繁瑣、不易操作，且容易損壞，在大學(xué)物理實驗教學(xué)中正逐步地被電加熱法所取代。電加熱法使儀器結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、經(jīng)久耐用，還可以將金屬棒加熱到100度以上甚至幾百度，大大地擴(kuò)大了實驗數(shù)據(jù)的可測量范圍。隨著電加熱法中加熱槽結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)，金屬棒的受熱已趨于均勻[4]。

2.2 測量微小長度變化的方法

傳統(tǒng)的測量微小長度變化、微小伸長量的儀器有：光杠桿、移測顯微鏡和千分表等。光杠桿和讀數(shù)顯微鏡分別適合豎置放置和水平放置金屬棒的兩種情況，千分表則在兩種放置方法下都能使用。這些儀器雖然測量精度不是特別高，但是原理和操作方法都很簡單，適合在大學(xué)物理實驗教學(xué)中使用。隨著光學(xué)實驗和傳感器技術(shù)的發(fā)展，單色光的劈尖干涉法、衍射法、激光干涉法和傳感器測量法等測量方法也被引入到該實驗中來對長度微小變化做更加精確的測量[5-12]，使測量誤差進(jìn)一步減小，有的可達(dá)到小于0.5%。但是這些測量方法的原理相對復(fù)雜一些，實驗操作技能也有更高的要求，適合專業(yè)的學(xué)生來學(xué)習(xí)和操作。

2.3 測量溫度的方法

溫度的測量可以用溫度計，也可用溫度傳感器。在一些實驗儀器中，特別是用蒸汽和水進(jìn)行加熱的實驗裝置中一般使用溫度計測溫，而對于用電加熱的實驗裝置，則一般配溫度傳感器進(jìn)行測溫，因為不同溫度傳感器的測溫范圍不同，有的測溫范圍達(dá)幾百度。溫度傳感器的發(fā)展非常迅速，現(xiàn)在都能達(dá)到非常精確的測量效果[13]。

在測量金屬線脹系數(shù)的過程中，通常采用升溫的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，但是也可以反過來利用降溫過程來測量數(shù)據(jù)。這樣可以有效避免升溫過程中溫度計示值和金屬棒實際溫度不符帶來的誤差[14]。

3 結(jié)語

通過以上分析，可以看出，適合用于大學(xué)物理實驗教學(xué)的金屬線脹系數(shù)實驗儀應(yīng)采用電加熱的加熱方式，根據(jù)實際教學(xué)要求選擇精度合適、操作簡單的測量長度微小變化的儀器，并用溫度傳感器進(jìn)行測溫。在實驗時，可采用降溫過程測量數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行。

從金屬線脹系數(shù)的發(fā)展過程可以看出，在現(xiàn)有的金屬線脹系數(shù)實驗儀中，通常都只能對一種金屬進(jìn)行測量，實驗數(shù)據(jù)很有限，分析所得結(jié)論也很簡單。如何在一次實驗中，對不同種類的金屬，在不同的溫度、不同原長的條件下進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的測量，從而分析不同種類金屬，在不同溫度下，不同原長時的線脹系數(shù)的變化規(guī)律。這是金屬線脹系數(shù)實驗儀的未來必然發(fā)展方向，也是教學(xué)中日益重視培養(yǎng)學(xué)生實驗綜合分析能力的必然要求。

[1]丁慎訓(xùn)，張孔時.物理實驗教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，1992：26-30

[2]霍劍青.大學(xué)物理實驗(第一冊)[M].北京：高等教育出版社，2006：151

[3]楊述武，趙立竹，沈國土.普通物理實驗[M].北京：高等教育出版社，2007：160

[4]尹志勇，賈同福,楊洪志等.用劈尖干涉測金屬線脹系數(shù)[J].大學(xué)物理實驗，2010，23(2)：45-46，55

[5]劉國良.干涉法線脹系數(shù)測量實驗裝置研究與應(yīng)用[J].大學(xué)物理實驗，2008(03)

[6]欒照輝.利用傳感器測量金屬的線脹系數(shù)[J].大學(xué)物理實驗，2007(02)

[7]余利華，黃運開，黃小勇.用百分表法測金屬線脹系數(shù)[J].大學(xué)物理實驗，1998，11(3)

[8]陳淑清.測量線脹系數(shù)的一種新方法[J].物理與工程，2002，12(4)

[9]崔惜琳.利用光纖傳感器測定金屬的線脹系數(shù)[J].物理實驗，2006，26(5)

[10]趙斌，陳明偉.金屬線脹系數(shù)的測定[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2004，23(2)

[11]陳向煒，李興章，李汝良等.光的衍射法測量金屬的線脹系數(shù)[J].大學(xué)物理，1996(9)

[12]郭軍.激光干涉法測量金屬的線脹系數(shù)[J].物理實驗，1997，19(2)：12-14

[13]孫慶龍.金屬線脹系數(shù)的測定[J].大學(xué)物理實驗，2012，25(2)：26-27

[14]胡君輝，李丹,唐玉梅等.光杠桿法測定金屬線脹系數(shù)實驗分析[J].大學(xué)物理實驗，2010，23(1)：30-32