章韋芳 強(qiáng)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(cè)定是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中一個(gè)基本的熱學(xué)實(shí)驗(yàn)。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(méi)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(xiàng)重要指標(biāo)。材料的線膨脹是材料受熱膨脹時(shí)，在一維方向上的伸長(zhǎng)。線脹系數(shù)是表征這一伸長(zhǎng)性能的重要參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

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

上式表明，物體受熱后其伸長(zhǎng)量與溫度的增加量成正比，和原長(zhǎng)也成正比。比例系數(shù)αl稱(chēng)為固體的線脹系數(shù)。在金屬的線脹系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，主要的問(wèn)題是怎樣給金屬棒升溫和如何測(cè)準(zhǔn)溫度變化所引起的長(zhǎng)度微小變化△L。迄今為止，出現(xiàn)過(guò)許多用不同加熱方法、不同測(cè)量長(zhǎng)度微小變化的方法組合成的實(shí)驗(yàn)儀。并且，隨著科技和實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展，測(cè)量微小長(zhǎng)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(cè)量長(zhǎng)度微小變化和溫度的金屬線脹系數(shù)實(shí)驗(yàn)儀。總體分析，有以下幾種不同的加熱金屬、測(cè)量長(zhǎng)度微小變化和測(cè)量溫度的方法。

2 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(wèn)題稍不注意就會(huì)漏水。儀器使用壽命不長(zhǎng)。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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量。

2.1.2 水蒸氣加熱法[3]

在這種實(shí)驗(yàn)儀中，金屬棒豎直放置在一個(gè)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境潮濕；蒸汽在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)進(jìn)入金屬桶內(nèi)會(huì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量范圍無(wú)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(pán)[4]升溫，然后使與加熱盤(pán)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(diǎn)是接觸不良好的話，加熱效果就很差，且會(huì)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(shí)驗(yàn)儀器繁瑣、不易操作，且容易損壞，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)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?cái)U(kuò)大了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可測(cè)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(cè)量微小長(zhǎng)度變化的方法

傳統(tǒng)的測(cè)量微小長(zhǎng)度變化、微小伸長(zhǎng)量的儀器有：光杠桿、移測(cè)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(cè)量精度不是特別高，但是原理和操作方法都很簡(jiǎn)單，適合在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用。隨著光學(xué)實(shí)驗(yàn)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(cè)量法等測(cè)量方法也被引入到該實(shí)驗(yàn)中來(lái)對(duì)長(zhǎng)度微小變化做更加精確的測(cè)量[5-12]，使測(cè)量誤差進(jìn)一步減小，有的可達(dá)到小于0.5%。但是這些測(cè)量方法的原理相對(duì)復(fù)雜一些，實(shí)驗(yàn)操作技能也有更高的要求，適合專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)學(xué)習(xí)和操作。

2.3 測(cè)量溫度的方法

溫度的測(cè)量可以用溫度計(jì)，也可用溫度傳感器。在一些實(shí)驗(yàn)儀器中，特別是用蒸汽和水進(jìn)行加熱的實(shí)驗(yàn)裝置中一般使用溫度計(jì)測(cè)溫，而對(duì)于用電加熱的實(shí)驗(yàn)裝置，則一般配溫度傳感器進(jìn)行測(cè)溫，因?yàn)椴煌瑴囟葌鞲衅鞯臏y(cè)溫范圍不同，有的測(cè)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(cè)量效果[13]。

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

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析，可以看出，適合用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的金屬線脹系數(shù)實(shí)驗(yàn)儀應(yīng)采用電加熱的加熱方式，根據(jù)實(shí)際教學(xué)要求選擇精度合適、操作簡(jiǎn)單的測(cè)量長(zhǎng)度微小變化的儀器，并用溫度傳感器進(jìn)行測(cè)溫。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，可采用降溫過(guò)程測(cè)量數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行。

從金屬線脹系數(shù)的發(fā)展過(guò)程可以看出，在現(xiàn)有的金屬線脹系數(shù)實(shí)驗(yàn)儀中，通常都只能對(duì)一種金屬進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很有限，分析所得結(jié)論也很簡(jiǎn)單。如何在一次實(shí)驗(yàn)中，對(duì)不同種類(lèi)的金屬，在不同的溫度、不同原長(zhǎng)的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量，從而分析不同種類(lèi)金屬，在不同溫度下，不同原長(zhǎng)時(shí)的線脹系數(shù)的變化規(guī)律。這是金屬線脹系數(shù)實(shí)驗(yàn)儀的未來(lái)必然發(fā)展方向，也是教學(xué)中日益重視培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)綜合分析能力的必然要求。

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