物理实验教学资源（实验讲义）【GXC-S型】控温式固体线胀系数测定仪

金属线胀系数的测量 一、实验目的 学习利用光杠杆法测量金属杆的线胀系数 二、实验仪器 控温式固体线胀系数测定仪（型号GXC-S)光杠杆尺读望远镜卷尺游标卡尺 三、实验原理 1)当温度升高时，一般固体中原子的热运动随固体温度的升高而加剧，把这种由于温 度升高而引起固体中原子间平均距离增大，进而引起固体体积增大的现象称为固体的热膨 胀。固体的热膨胀又可分为体膨胀和线膨胀，本实验主要研究线膨胀。 设L表示温度t时物体的长度，dL表示温度变化dt时物体长度的变化，定义 1 dL a = L dt α，为物体在温度时的线胀系数，其物理意义是固体的温度每升高1°C时的相对升长量。 它不仅与物体的材料有关，还与温度有关。但是除了在物体熔点附近有很大的突变外，在其 他温度范围内变化不大。因此，在远离固体熔点，而且温度变化范围不大时，可以引进一个 平均线胀系数的概念，即 a=14-4) L(2-1) .(2) 式中L1和L2分别为物体在温度1和t2时的长度，α是一个很小的量。当温度变化较大 时，精密的测量表明α和1有关，经验公式为 a=atb1+c12+… (3) 式中a、b、c、是常量。一般固体材料的a值很小，所以△L=L2-L1也很小， 因此本实验成功的关键之一就是测准△L的问题，我们采用光杠杆法测量△L。 图1 在距光杠杆前约1一2米处放置望远镜R及标尺N。调节好望远镜后，可通过望远镜看 到光杠杆的镜面内标尺的象。设望远镜中水平叉丝（或叉丝交点）对准标尺上的刻度为 如图1，当金属杆受热膨胀而伸长△L时，光杠杆后足随金属杆C向上移动。这时光杠杆的两 个前足固定，于是平面镜绕前两足的水平轴线而转动日角（实线为光杠杆原来的位置，虚线 为转动后的位置)，如图1所示。由图中可知： g0-4L *************…(4) H 式中H为光杠杆后足到前两足连线的距离。 而这时望远镜中所看到的标尺象的刻度为N1,可以证明<NONo=28。 这就是利用光杠杆将0角放大一倍。由图3一4可知： 1820=NI-No …(5) D 由于△L变化很小，因此0及20亦很小，由(4)、(5)有：

金属线胀系数的测量 一、实验目的 学习利用光杠杆法测量金属杆的线胀系数 二、实验仪器 控温式固体线胀系数测定仪（型号 GXC-S） 光杠杆 尺读望远镜 卷尺 游标卡尺 三、实验原理 1）当温度升高时，一般固体中原子的热运动随固体温度的升高而加剧，把这种由于温 度升高而引起固体中原子间平均距离增大，进而引起固体体积增大的现象称为固体的热膨 胀。固体的热膨胀又可分为体膨胀和线膨胀，本实验主要研究线膨胀。 设 Lt 表示温度 t 时物体的长度，dL 表示温度变化 dt 时物体长度的变化，定义 dt dL Lt t 1  = …………………………………………（1）  t 为物体在温度时的线胀系数，其物理意义是固体的温度每升高 1ºC 时的相对升长量。 它不仅与物体的材料有关，还与温度有关。但是除了在物体熔点附近有很大的突变外，在其 他温度范围内变化不大。因此，在远离固体熔点，而且温度变化范围不大时，可以引进一个 平均线胀系数的概念，即 ( ) 1 ( ) 2 1 2 1 1 t t L L L − −  = ……………………………………….（2） 式中 L1 和 L2 分别为物体在温度 t1 和 t 2 时的长度，  是一个很小的量。当温度变化较大 时，精密的测量表明  和 t 有关，经验公式为  = a+b t +c t 2+…… …………………………………..（3） 式中 a、b、c、……是常量。一般固体材料的  值很小，所以 L = L2 − L1 也很小， 因此本实验成功的关键之一就是测准 L 的问题，我们采用光杠杆法测量 L 。 图 1 在距光杠杆前约 1—2 米处放置望远镜 R 及标尺 N。调节好望远镜后，可通过望远镜看 到光杠杆的镜面内标尺的象。设望远镜中水平叉丝（或叉丝交点）对准标尺上的刻度为 N0, 如图 1,当金属杆受热膨胀而伸长△L 时，光杠杆后足随金属杆 C 向上移动。这时光杠杆的两 个前足固定，于是平面镜绕前两足的水平轴线而转动θ角（实线为光杠杆原来的位置，虚线 为转动后的位置），如图 1 所示。由图中可知： H L tg   = ………………………………（4） 式中 H 为光杠杆后足到前两足连线的距离。 而这时望远镜中所看到的标尺象的刻度为 N1 ，可以证明< N1O N0 = 2 。 这就是利用光杠杆将θ角放大一倍。由图 3—4 可知： D N N tg 1 0 2 −  = …………………………（5） 由于 L 变化很小，因此  及 2 亦很小，由（4）、（5）有：

00=告g0:20= 可得：-2岩 D 即-易N-N)- …(6】 可见，当H及D一定时，测得M,-N)就可求得AM.由（4式可知，AW=2DAL H 即△W比山放大了治信，这就是利用光在杠杆法进行微小长度安化测堡的原理。 将(6)式代入(2)式，可得 a器” HAN *(7) D可以认为是一个常数，因此，当温度改变时测出对应的望运镜中标尺 式中H 读数的差值△W,就可用(5)式求得线胀系数。 四、实验内容 1金属杆并用卷尺测量金属杆的长度L:然后将金属杆插回套筒中，杆的下端要和基座 紧密相连，上端露出筒外。 2.光杠杆放在仪器平台上，其后足尖放在金属杆顶端的金属套上，光杠杆的镜面在铅直 方向。在光杠杆前1.52.0m处放置望远镜及直尺（尺在铅直方向）。调节镜尺组让望远镜与 直尺相对镜面成对称关系，调节望远镜的目镜使叉丝清晰，如图2，再调节望远镜使直尺的 象进入望远镜中，如图3。 读出叉丝横线（或交点）在直尺上的位置，如图3读数为0 图2 图3 3打开电源开关按下预置开关，进入预置状态，轻触调节开关，调节预置温度，调节完 毕后，按预置开关，退出预置状态，进入工作状态 4当温度达到预置温度时要注意观察补偿开关是否亮了，若亮了则正常，由于温度是连 续升温和降温，注意温度会升到某个温度点后，开始降温，当温度降到比预置温度高10度 的位置时打开补偿开关并且顺时针旋到40V的位置进行补偿，当温度下降较慢时可认为系 统供热和散热相对稳定，记下相对稳定的温度以及此时望远镜里直尺上的读数，之后关 掉补偿开关重新预置 当温度到达时补偿 稳定时重新记录为N,依此类推，直到测完规定 的组数。预置温度的上限为100°C。不过在预置温度较高时补偿量应当增加，即点，另外若

H L tg     = ， D tg 1 0 2 2  −     = 可得： H L D  =  −  2 1 0 即 ( ) D H N D H L 2 2 1 0   =  −  = ……………………………（6） 可见，当 H 及 D 一定时，测得 (N N ) 1 − 0 就可求得 L 。由（4）式可知， L H D N =  2 ， 即 N 比 L 放大了 H 2D 倍，这就是利用光杠杆法进行微小长度变化测量的原理。 将（6）式代入（2）式，可得 ( ) 2 2 1 1 L D t − t    = = LDt  2 ……………………………………（7） 式中 2LD  可以认为是一个常数，因此，当温度改变 t 时，测出对应的望远镜中标尺 读数的差值 N ，就可用（5）式求得线胀系数。 四、实验内容 1.金属杆并用卷尺测量金属杆的长度 L ；然后将金属杆插回套筒中，杆的下端要和基座 紧密相连，上端露出筒外。 2.光杠杆放在仪器平台上，其后足尖放在金属杆顶端的金属套上，光杠杆的镜面在铅直 方向。在光杠杆前 1.5~2.0m 处放置望远镜及直尺（尺在铅直方向）。调节镜尺组让望远镜与 直尺相对镜面成对称关系，调节望远镜的目镜使叉丝清晰，如图 2，再调节望远镜使直尺的 象进入望远镜中，如图 3。 读出叉丝横线（或交点）在直尺上的位置，如图 3 读数为 0。 图 2 图 3 3.打开电源开关,按下预置开关，进入预置状态，轻触调节开关，调节预置温度，调节完 毕后，按预置开关，退出预置状态，进入工作状态。 4.当温度达到预置温度时要注意观察补偿开关是否亮了，若亮了则正常，由于温度是连 续升温和降温，注意温度会升到某个温度点后，开始降温，当温度降到比预置温度高 10 度 的位置时打开补偿开关并且顺时针旋到 40V 的位置进行补偿，当温度下降较慢时可认为系 统供热和散热相对稳定，记下相对稳定的温度以及此时望远镜里直尺上的读数 N0，之后关 掉补偿开关重新预置，当温度到达时补偿，稳定时重新记录为 N1,依此类推，直到测完规定 的组数。预置温度的上限为 100ºC。不过在预置温度较高时补偿量应当增加，即点，另外若

温度无法达到前面所说的补偿位置就开始降温就要在开始降温时补偿，并且补偿量也应该稍 到两前足尖中点的距离H。 6.按(5)式求出金属的线胀系数，并求出测量结果的标准不确定度。 7D可以不用直接读，只要读出刻度尺在叉丝中间的长线与两条短线中的任一条之间的 读数AX,那么D-10△X.不过这时a=20LAX HAn ,这就造成不确定度的计算公式不 一样而且后者要比前者大一点。后者要求义丝不能歪。 五、注意事项 1.在测量过程中，要注意保持光杠杆及望远镜位置的稳定。 2.系统断电后，再次测量前需重新预置。 六、数据及处理 1)数据 金属杆的长度户 cm: 竖直标尺至镜面的距离D= cm: 光杠杆后足至前两足连线的垂直距离H= cm 表一、测标尺的读数N 预置温度 标尺上的读数 次数 c N.(cm) 0 2)相对不确定度的计算 - +袋+） c.u。=E。× 六、思考题 (1)两根材料相同，粗细长度不同的金属杆，在同样的温度变化范围内，线胀系数是

温度无法达到前面所说的补偿位置就开始降温就要在开始降温时补偿，并且补偿量也应该稍 大一些。 5. 停止加热，测出直尺到平面镜镜面间距离 D，取下光杠杆，用游标卡尺测量后足尖 到两前足尖中点的距离 H。 6.按（5）式求出金属的线胀系数，并求出测量结果的标准不确定度。 7.D 可以不用直接读，只要读出刻度尺在叉丝中间的长线与两条短线中的任一条之间的 读数  ，那么 D=100  。不过这时 Lt  = 200  ，这就造成不确定度的计算公式不 一样而且后者要比前者大一点。后者要求叉丝不能歪。 五、注意事项 1. 在测量过程中，要注意保持光杠杆及望远镜位置的稳定。 2. 系统断电后，再次测量前需重新预置。 六、数据及处理 1） 数据 金属杆的长度 L= cm； 竖直标尺至镜面的距离 D= cm； 光杠杆后足至前两足连线的垂直距离 H= cm。 表一、测标尺的读数 N 次数 预置温度 t(ºC) 标尺上的读数 Ni(cm) 0 1 2 3 4 5 6 2)相对不确定度的计算 a. 2 2 2 2 2         +        +       +       +        =    t u u D u L u uL D t  b. 2 2 2 2 2         +        +        +       +        =     t u u u L u uL t  c. u =   六、思考题 （1）两根材料相同，粗细长度不同的金属杆，在同样的温度变化范围内，线胀系数是

逆时针旋一否相同？为什么？ (2)根据实验的误差计算，分析和判断哪个量对实验的精密度影响最大？为什么？

逆时针旋一否相同？为什么？ （2）根据实验的误差计算，分析和判断哪个量对实验的精密度影响最大？为什么？