一种新型金属线胀系数测定实验仪的研究

章韦芳，强晓明，赵 敏

（合肥师范学院 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601）

一种新型金属线胀系数测定实验仪的研究

章韦芳，强晓明，赵 敏

（合肥师范学院 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601）

通过对现有金属线胀系数测定实验仪的调研和分析，对现有仪器进行了改进，克服了现有仪器中加热方法不便、测温范围窄、试样单一等缺点，新型实验仪结构牢固、测温精确、实验内容丰富。实验数据显示仪器性能良好。

线胀系数；读数显微镜；多种金属

金属线胀系数的测定是普通物理实验中一个基本的热学实验。为了精确测定金属线胀系数，需要在对金属棒升温和金属棒降温的过程中精确测量出温度及其随着温度变化所引起的金属棒长度微小变化量△L。各高校实验室中现用的实验仪由不同加热金属棒的方法、测量金属棒长度微小变化量的方法组合而成。综合分析并归类后，可分为以下几种不同的测量方法和仪器使用：加热金属的方法[1-3]有流水加热法、水蒸气加热法、电加热法；测量微小长度变化的方法有利用光杠杆、移测显微镜和千分表进行测量的，单色光的劈尖干涉法、衍射法、激光干涉法和传感器测量法等[1-6]；测量温度时使用温度计，也可用温度传感器。

1 实验基本原理

金属线胀系数表征金属受热膨胀时一维方向上的长度变化。在对金属棒加热后，其长度会增加，设金属棒原长为L，由初温t1加热至末温t1，金属棒伸长了△L，在一定温度范围内[2]151，热膨胀规律可用以下公式表达

式中，α1称为金属的线胀系数，单位为℃-1或K-1。它的物理意义为：单位长度的金属棒在温度升高一个单位时的受热伸长量。

2 老式金属线胀系数测定实验仪

在金属线胀系数测定实验仪的几种加热金属棒的方法中，流水加热法和水蒸气加热法的缺点有很多，比如：漏水、漏气、温度上限不高、使用寿命短和实验数据测量范围窄等。使用电加热法的仪器操作简单、使用寿命长，实验数据的可测量范围也得到拓宽，因为金属棒加热温度的上限可达200度甚至几百度。但它的缺点是会使金属棒受热不均匀。但随着科技的进步，加热槽结构和加热棒性能有很大的改进，金属棒受热不均匀的问题已得到很大程度的缓解[1]。

测量金属棒微小长度变化量的仪器有千分表、光杠杆和移测显微镜等。千分表在金属棒竖直放置和水平放置的两种情况下使用。光杠杆适合金属棒竖直放置的情况，移测显微镜适合金属棒水平放置的情况。这些测量仪器原理和操作方法都很简单，测量精度也都能够满足普通物理实验的要求。

测量温度时基本都是使用温度计或温度传感器。用蒸汽和水加热金属棒的实验仪上使用温度计，温度计的缺点是读数繁琐且易碎；用电加热的实验仪中则一般使用温度传感器进行测温。温度传感器发展迅速，测温范围也可达几百度，精度也很高[7]。

在现有金属线胀系数测定实验仪中，一般都只对一种金属的线胀系数进行测量，实验过于简单。由于教学中日益重视培养学生实验综合分析能力，我们在现有金属线胀系数测定实验仪的基础上进行了改进，研制出一种新型金属线胀系数测定实验仪。它能够在一次实验中，对不同种类金属在不同温度、不同原长的条件下进行线胀系数的测量，可使学生在众多的实验数据中去分析、总结不同种类金属在不同温度、不同原长情况下的线胀系数的变化规律。

3 新型金属线胀系数测定实验仪

新型实验仪主体结构采用下图所示形式[8]。由导热性能良好的铝合金制成的长条形加热槽（3），上部开有深狭槽，内置数片不同金属制成的试样（1）.试样为片状，相互紧贴着置放。这里，我们放置了铜、铁、铝三种不同的试样。其一端由固定轴（2）固定，另一端可自由伸展。试样上通过刻痕或色点表示不同的长度。加热槽下开有凹槽，内置加热管（4）。加热槽内置有多个温度传感器以显示温度。试样因紧贴加热槽中心部位，可认为其温度与加热槽温度相同。

图 1 主体结构示意图

本实验仪以读数显微镜作为读数工具。实验时，加热前先读取各试样自由端的位置读数。加热后再分别读取各试样受热膨胀后新的位置读数，并记下读数时的试样温度。在加热电源装置部分安装温控PID系统，可使加热温度更精确。

如果进行探究性实验，则可挪动读数显微镜，记录试样的不同部位在当时温度下的位置读数，然后再读取其升温或降温后的位置读数。让学生通过所获取的众多不同材质、不同长度的试样在不同温度时的热膨胀量数据，从中归纳、总结出金属的线膨胀规律。

在测量金属线胀系数的过程中，一般在金属棒升温的过程中进行数据测量，但在此实验仪中，我们采用金属降温过程中测量数据的方法。这就有效地避免了升温过程中金属棒受热不均匀和温度计测温不准等因素所引起的误差[9]。

4 实验数据及讨论

我们应用上述的新型仪器，采用降温测量的方法，测量了铝、铁、铜三种金属的线胀系数。三种金属棒的原长均为60cm，测得它们从27℃到127℃温度下的长度列表如下(室温：17℃)：

表1 铝、铁、铜三种金属线胀系数测量数据

利用公式（2），计算可得

表 2 铝、铁、铜三种金属线胀系数计算结果及相对误差

由计算结果可知，三种金属的线胀系数测量结果良好，误差基本能控制在5%以内。说明仪器性能良好。相较以往的仪器本仪器能对三种不同金属进行线胀系数的测量，测温范围更广。

5 结束语

我们对现有金属线胀系数测定实验仪进行了调研，分析了它们各自的优缺点，然后综合考虑使用者情况和现有仪器的不足，研制出了一种新型的金属线胀系数测定实验仪。介绍了其主体结构，然后在新型实验仪上进行了实验，并对实验数据进行分析，实验结果显示仪器性能良好。相较以往的仪器它能对三种不同金属进行线胀系数的测量，测温范围更广。

[1]尹志勇,贾同福,杨洪志,等.用劈尖干涉测金属线胀系数[J].大学物理实验,2010,23(2):45-46,55.

[2]栾照辉.利用传感器测量金属的线胀系数[J].大学物理实验,2007(2):15-16.

[3]余利华,黄运开,黄小勇.用百分表法测金属线胀系数[J].大学物理实验,1998,11(3):27-28.

[4]崔惜琳.利用光纤传感器测定金属的线胀系数[J].物理实验,2006,26(5):46-47.

[5]陈向炜,李兴章,李汝良,等.光的衍射法测量金属的线胀系数[J].大学物理,1996(9):30-32,41.

[6]郭军.激光干涉法测量金属的线胀系数[J].物理实验,1997,19(2):12-14.

[7]孙庆龙.金属线胀系数的测定[J].大学物理实验,2012,25(2):26-27.

[8]章韦芳,李大创,訾振发,等.大学物理实验[M].北京:人民邮电出版社,2013:55-56.

[9]胡君辉,李丹,唐玉梅,等.光杠杆法测定金属线胀系数实验分析[J].大学物理实验,2010,23(1):30-32.

[责任编辑：桂传友]

O404

A

1674-1104(2014)03-0042-02

10.13420/j.cnki.jczu.2014.03.013

2014-02-19

合肥师范学院校级科研项目（2013jcjy03）。

章韦芳（1983-），女，安徽安庆人，合肥师范学院电子信息工程学院实验师，硕士，主要从事大学物理实验教学和教仪研究。