课 题属线膨胀实驗 1.掌握应用迈氏干涉仪测量物体长度微小变化的方法; 教学目的2.观察物体线膨胀现象,并学会测量金属的线膨胀系数的方法 重难点1.线膨胀率的理解; 2.SGR一1型热膨胀实验装置的正确调节。 教学方法讲授、讨论、实验演示相结合 时3个学时 、前言 在工程计算、材料的焊接和加工过程中都必须对物体这种热胀冷缩的特性加以考 虑,定量地分析它所引起的结构变化。各种材料的热膨胀系数,是定量分析热膨胀问 题的依据,用实验方法测定热膨胀系数,则是最简便的途径 实验仪器 SGR一1型热膨胀实验装置, 分束器扩束器 g 激光管 动镜 220V电源插头 电热炉 激光电源 侧台板 试件样品 硬铝(LY12)a=22.7×10-6/℃,(20-100℃) 黄铜(H62)a=20.6×10-6/℃,(25-300℃) 钢(45) a=11.59×10-6/℃,(20-100℃)
课 题 金属线膨胀实验 1． 掌握应用迈氏干涉仪测量物体长度微小变化的方法； 教 学 目 的 2．观察物体线膨胀现象，并学会测量金属的线膨胀系数的方法。 重 难 点 1．线膨胀率的理解； 2．SGR—1 型热膨胀实验装置的正确调节。 教 学 方 法 讲授、讨论、实验演示相结合。 学 时 3 个学时 一、前言 在工程计算、材料的焊接和加工过程中都必须对物体这种热胀冷缩的特性加以考 虑，定量地分析它所引起的结构变化。各种材料的热膨胀系数，是定量分析热膨胀问 题的依据，用实验方法测定热膨胀系数，则是最简便的途径。 二、实验仪器 SGR—1 型热膨胀实验装置， 试件样品： 硬铝（LY12）α=22.7×10-6/ ℃,(20-100℃) 黄铜（H62） α=20.6×10-6/ ℃,(25-300℃) 钢（45） α=11.59×10-6/ ℃,(20-100℃)
仪器原理图示于图1。 分束寄 转向受北 石管 寮屏 探头 致星谒挖 石冤垫 图(1)仪器原理图 三、实验原理 一般情况下,固体受热后长度的增加称为线膨胀。实验证明,长度为L的固体受 热膨胀后,其相对伸长量dL/L与温度变化dt成正比,写成等式为 L 其中,比例系数a称为固体线膨胀系数 假设当温度由4变至h2时,长度由变至,对(1)式积分,得 将(2)中p(2-4)展开成级数,得 e(=)=1+a(2-1)+ a2(2-1) a"(t2-1) 因为α甚小,故上式二次项以后各项可略去,代回到(2)式,得 L2=L1+a(t2-1 △L L1(t2-t1)L1(2-t1) 长度为L的待测固体试件被电热炉加热,当温度从t上升至t2时,试件因线膨胀
仪器原理图示于图 1。 图（1）仪器原理图 三、实验原理 一般情况下，固体受热后长度的增加称为线膨胀。实验证明，长度为 L 的固体受 热膨胀后，其相对伸长量 dL/L 与温度变化 dt 成正比，写成等式为： (1) 其中，比例系数 称为固体线膨胀系数。 假设当温度由 变至 时，长度由 变至 ，对（1）式积分，得 (2) 将（2）中 展开成级数，得 (3) 因为 α 甚小，故上式二次项以后各项可略去，代回到（2）式，得 (4) 长度为 L1的待测固体试件被电热炉加热，当温度从 t1上升至 t2时，试件因线膨胀， ( ) ( ) 1 2 1 1 2 1 2 1 L t t L L t t L L − = − − = dt L dL = ( ) 2 1 2 1 t t L L e − = ! ( ) 2! ( ) 1 ( ) 2 1 2 2 1 2 2 1 ( ) 2 1 n t t t t e t t n n t t − + + − = + − + − [1 ( )] 2 1 2 1 L = L + t −t 1 t 2 t L1 L2 ( ) 2 1 t t e −
伸长到L2,同时推动迈克耳孙干涉仪的动镜,使干涉条纹发生N个环的变化,则 L2-L1=△L=NA/2 四、实验内容与步骤 (一)仪器介绍 XMI 数显调节仪 MAX 设定旋钮 AUTOMATION METER 设定测量 OFFO 绿灯/选择开关/红灯 图(2)数显温控仪面版图 数显温控仪的测温探头通过铂热电阻,取得代表温度信号的阻值,经电桥放大器 和非线性补偿器转换成与被测温度成正比的信号;而温度设定值使用“设定旋钮” (图2)调节,两个信号经选择开关和AD转换器,可在数码管上分别显示测量温度 和设定温度。仪器加热接近设定温度,通过继电器自动断开加热电路;在测量状态, 显示当前探测到的温度 电热 通误控仪 饺试件 头 石英胬 接电限 220v颊 图(3)电热炉内结构示意图
伸长到 L2，同时推动迈克耳孙干涉仪的动镜，使干涉条纹发生 N 个环的变化，则： L2- L1= ΔL= N λ/2 四、实验内容与步骤 （一）仪器介绍 图（2）数显温控仪面版图 数显温控仪的测温探头通过铂热电阻，取得代表温度信号的阻值，经电桥放大器 和非线性补偿器转换成与被测温度成正比的信号；而温度设定值使用“设定旋钮” （图 2）调节，两个信号经选择开关和 A/D 转换器，可在数码管上分别显示测量温度 和设定温度。仪器加热接近设定温度，通过继电器自动断开加热电路；在测量状态， 显示当前探测到的温度。 图（3）电热炉内结构示意图
(二)安放试件 先用M4长螺钉旋入试件一端的螺纹孔内,从试件架上提拉出来,横放在实验台 上,再用卡尺测量并记录试件长度10,将电热炉从仪器侧面的台板上平移取下,手 提M螺钉把试件送进电热炉(注意:试件的测温孔与炉侧面的圆孔一定要对准)。然 后卸下螺丝,用平面镜背面石英管一端的螺纹件将平面镜与试件联接起来。在炉体复 位(从台板开口向里推到头)后,务必将测温探头穿过炉壁插入试件下半截的测温孔 内,测温器手柄,应紧靠电热炉的外壳。从炉内电阻丝引出的电缆插头应插入炉旁的 插座上(图3)。炉体下部与侧台板之间,用两个手钮锁紧 (三)调节迈克耳孙干涉光路 接好激光器的线路(正负不可颠倒),再接通仪器的总电源,按“激光”开关, 拨开扩束器之后,调节M和M2两个平面镜背后的螺丝,使观察屏上的两组光点中的 两个最强的重合,然后把扩束器转到光路中,屏上即出现干涉条纹,这时微调平面镜 的方位,可将椭圆干涉环的环心调到视场的适中位置。对扩束器作二维调节,可纠正 观察屏上光照的不均匀 (四)测量并记录数据 可以采用按升高一定的温度(例如10℃)测量试件伸长量的方法,也可以采 用按试件一定的伸长量(例如由50或100个干涉环变化算出的光程差),测出所需升 髙温度的方法。测量前,先将温控仪选择开关置于“设定”,转动设定旋钮,直到显 示出预定温度值。就黄铜H62和硬铝LY12而言,如果用第二种方法,每计数100个 干涉环,在加热前温度基础上,温升应在10.5℃和9.5℃以内,对45号钢,每计数 50个干涉环,温升应在9.4℃以内。此外,在准备自动控制加热温度时,还应考虑到, 在测量范围内通常在比设定温度大约低2.8℃时,加热电路被切断。所以,可做如下 估算: 设定温度=基础温度+温升+2.8℃ 设定温度后,将选择开关置于“测量”,记录试件初始温度t1,认准干涉图样 中心的形态,按“加热”键,同时仔细默数环的变化量。待达到预定数(例如50环 或100环)时,记录温度显示值t2。当接近和达到设定温度时,红灯亮(绿灯闪灭), 加热电路自动切断。一种样品测试完毕后,直接按“暂停”键,手控停止加热最便捷
（二） 安放试件 先用 M4 长螺钉旋入试件一端的螺纹孔内，从试件架上提拉出来，横放在实验台 上，再用卡尺测量并记录试件长度 l0，将电热炉从仪器侧面的台板上平移取下，手 提 M4 螺钉把试件送进电热炉（注意：试件的测温孔与炉侧面的圆孔一定要对准）。然 后卸下螺丝，用平面镜背面石英管一端的螺纹件将平面镜与试件联接起来。在炉体复 位（从台板开口向里推到头）后，务必将测温探头穿过炉壁插入试件下半截的测温孔 内，测温器手柄，应紧靠电热炉的外壳。从炉内电阻丝引出的电缆插头应插入炉旁的 插座上（图 3）。炉体下部与侧台板之间，用两个手钮锁紧。 （三）调节迈克耳孙干涉光路 接好激光器的线路（正负不可颠倒），再接通仪器的总电源，按“激光”开关， 拨开扩束器之后，调节 M1 和 M2 两个平面镜背后的螺丝，使观察屏上的两组光点中的 两个最强的重合，然后把扩束器转到光路中，屏上即出现干涉条纹，这时微调平面镜 的方位，可将椭圆干涉环的环心调到视场的适中位置。对扩束器作二维调节，可纠正 观察屏上光照的不均匀。 （四）测量并记录数据 可以采用按升高一定的温度（例如 10℃）测量试件伸长量的方法，也可以采 用按试件一定的伸长量（例如由 50 或 100 个干涉环变化算出的光程差），测出所需升 高温度的方法。测量前，先将温控仪选择开关置于“设定”，转动设定旋钮，直到显 示出预定温度值。就黄铜 H62 和硬铝 LY12 而言，如果用第二种方法，每计数 100 个 干涉环，在加热前温度基础上，温升应在 10.5℃和 9.5℃以内，对 45 号钢，每计数 50 个干涉环，温升应在 9.4℃以内。此外，在准备自动控制加热温度时，还应考虑到， 在测量范围内通常在比设定温度大约低 2.8℃时，加热电路被切断。所以，可做如下 估算： 设定温度=基础温度+温升+2.8℃ 设定温度后，将选择开关置于“测量”，记录试件初始温度 t1，认准干涉图样 中心的形态，按“加热”键，同时仔细默数环的变化量。待达到预定数（例如 50 环 或 100 环）时，记录温度显示值 t2。当接近和达到设定温度时，红灯亮（绿灯闪灭）， 加热电路自动切断。一种样品测试完毕后，直接按“暂停”键，手控停止加热最便捷
当室温低于试件的线性变化温度范围时,可加热至所需温度,再开始实验测量。不用 自动控制时,请将设定温度定在60℃以上。 (五)更换试件 松开加热炉下部的手钮,使炉体平移,离开侧台板。旋下动镜拔下测温头,再 换上螺丝提手从炉内取出试件。用风冷法或其他方法,使炉内温度降到最接近室温的 稳定值,确认后,按要求安放待测试件,安妥后通常需要重新调节光路。无论以前是 自动还是手控切断加热电路,只要按一次“加热”键,即开始新一轮的加热过程。实 验完毕,切断加热炉电源。 五、数据表格及数据处理 1.数据表格 试件伸长量△L=线膨胀系数a 试件品种温度t1温度t2干涉环变化数N N(632.8/2)m(×10°c) 黄铜 硬铝 钢 六、注意事项 本仪器宜在低照度实验室使用,室内应避免强烈的空气流动。地面和台面不可有 较强的震动。实验室应保持安静。 2、非必须时,实验前不要按“加热”开关,以免为恢复加热前温度而延误实验时间, 或因短时间内温度忽升忽降而影响实验测量的准确度。实验中,每次加热前都需要静 置一段时间观察温度显示,耐心等待试件入炉后的热平衡状态 3、为了避免体温传热对炉内外热平衡扰动的影响,不要用手抓握待测试件。 4、在平面镜与铜螺丝之间粘接的石英细管质脆易损,不能承受较大的扭力和拉力; 炉底上的石英垫不能承受试件落体的冲击:试样入炉与岀炉必须用M4长螺钉做辅助 工具
当室温低于试件的线性变化温度范围时，可加热至所需温度，再开始实验测量。不用 自动控制时，请将设定温度定在 60℃以上。 （五）更换试件 松开加热炉下部的手钮，使炉体平移，离开侧台板。旋下动镜拔下测温头，再 换上螺丝提手从炉内取出试件。用风冷法或其他方法，使炉内温度降到最接近室温的 稳定值，确认后，按要求安放待测试件，安妥后通常需要重新调节光路。无论以前是 自动还是手控切断加热电路，只要按一次“加热”键，即开始新一轮的加热过程。实 验完毕，切断加热炉电源。 五、数据表格及数据处理 1．数据表格 试件品种 温度 t1 温度 t2 干涉环变化数N 试件伸长量ΔL= N (632.8/2) nm 线膨胀系数 α (×10-6 / ℃) 黄铜 硬铝 钢 六、注意事项 1、本仪器宜在低照度实验室使用，室内应避免强烈的空气流动。地面和台面不可有 较强的震动。实验室应保持安静。 2、非必须时，实验前不要按“加热”开关，以免为恢复加热前温度而延误实验时间， 或因短时间内温度忽升忽降而影响实验测量的准确度。实验中，每次加热前都需要静 置一段时间观察温度显示，耐心等待试件入炉后的热平衡状态。 3、为了避免体温传热对炉内外热平衡扰动的影响，不要用手抓握待测试件。 4、在平面镜与铜螺丝之间粘接的石英细管质脆易损，不能承受较大的扭力和拉力； 炉底上的石英垫不能承受试件落体的冲击；试样入炉与出炉必须用 M4 长螺钉做辅助 工具
131415 眼睛,不要正面直接注视激光光束或激光干 理不一定清楚,因此在讲解原理时要补讲。 延误实验时间 练习
5、使用 He-Ne 激光器做实验,须注意保护眼睛,不要正面直接注视激光光束或激光干 涉图样,以免视网膜受到损伤。 七、教学后记 1．学生对实验中的迈克耳孙干涉仪原理不一定清楚，因此在讲解原理时要补讲。 2．少数同学实验前按“加热”开关，延误实验时间。 4．实验中要让学生在光路调节时多多练习