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金属线胀系数的测定物理实验教学中心实验背景绝大多数物质具有“热胀冷缩”的特性，这是由于物体内部分子热运动加剧或减弱造成的。这个性质在工程结构的设计中，在机械和仪表的制造中，在材料的加工（如焊接）中都应考虑到。否则，将影响结构的稳定性和仪表的精度，考虑失当，甚至会造成工程结构的毁损、仪表的失灵以及加工焊接中的缺陷和失败等。固体材料的线膨胀即材料受热膨胀时，在一维方向上的伸长。线胀系数是选用材料的一项重要指标，在研制新材料中，测量其线胀系数更是必不可少。本实验用光杠杆法测量微小伸长量，测定金属线胀系数。日常生活中热胀冷缩造成的危害钢尺受热使大头针弯曲实验目的学习用光杠杆测量微小长度的原理和方法。测定金属的线胀系数。实验仪器金属线胀系数测定仪金属线胀系数测定仪（附光杠杆）、待测金属棒（铜、铁各一根）、望远镜、直横尺、钢卷尺、蒸汽发生器、温度计、游标卡尺等。待测金属棒A放在线胀系数测定仪的蒸汽管B中，B两头有软木塞，上端木塞有3个孔，分别插入蒸汽管，温度计和金属棒A（上端微露）；下端软木塞有两孔：一孔用以插金属棒（下端微露与底座尖端接触），另一孔可插入玻璃弯管用以排水蒸气或凝结水。实验装置示意图实验原理1.线胀系数的测量原理固体的长度一般是温度的函数，在常温下，固体的长度L与温度t有如下关系：式中，L0为固体在t=0℃时的长度；称为线膨胀系数（简称线胀系数），其数值与材料性质有关，单位为℃−1。消去L0后由于LL,故上式可以近似写成2.光杠杆及其放大原理当角度很小时，近似有tan2≈2，又有≈L/b，所以n2−n1与L之比称为光杠杆的放大倍数A，且则光杠杆测量材料线胀系数的公式为：L为室温下材料原长，B为平面镜镜面至标尺的距离，b为光杠杆前足连线与后尖足之间的距离；t1和t2为加热前后材料的温度；n1和n2为加热前后从望远镜中看到的标尺读数。光杠杆放大原理示意图实验内容与步骤1.仪器的安装与调整在室温下测出金属棒的长度L，然后安装好仪器，进气口连接蒸汽发生器。将光杠杆放置好，后脚要放在金属杆上端的中部，光杠杆的3个脚要尽量在同一水平面内，镜面要竖直。将望远镜直尺组放在光杠杆前1～1.5m处，使望远镜水平，直尺竖直。调节望远镜观察标尺读数。2.测量仪器调好后，从望远镜中读出叉丝所对标尺读数n1，同时记录室温t1。接通电源给蒸汽发生器加热，将蒸汽通入金属筒对金属杆加热，待温度计数值稳定不变，且从望远镜中观察到的叉丝所对标尺读数也不再变化时，记下温度计读数t2及叉丝所对标尺读数n2。停止加热，测出平面镜到标尺的距离B。取下光杠杆用印迹法测量b。使仪器冷却，换另一金属棒重复以上步骤。求出待测金属的线胀系数；并与其理论值比较，求出相对误差。数据记录材料t1（℃）n1（mm）t2（℃）n2（mm）L（mm）B（mm）b（mm）注意事项仪器安装时，金属杆下端要与底座接触。实验过程中，望远镜、标尺、光杆杠等不能有任何移动，仪器不能有内部的任何变动和外部的任何干扰。实验操作中，加热时间不能太长，如测n2时，温度达到100℃左右并保持3～4min不变即可。加热时间过长，仪器支架受热伸长，将直接影响测量结果。在蒸汽发生器加热过程中，不要直接接触蒸汽发生器，以免被烫伤。思考题金属杆两端都有一小部分伸出加热筒之外，这对测量结果是否有很大影响？仪器安装时，金属杆下端为什么要与底座接触？如何增大或减小光杠杆的放大倍数？利用误差传递公式，分析实验中哪些量测量的误差对结果的影响较大，为什么？