固体线膨胀系数测定及改进方案
毕业生:王哲1311636
指导教师:李忠
摘要：本文主要了解金属热膨胀现象，记录测金属杆线膨胀系数的方法，学习掌握用光杠杆测微小长度变化。
并用固体线膨胀系数测定仪，光杠杆，望远镜及标尺等多元器件来进行光杠杆实验测定。
绝大数物质具有热涨冷缩的特性，在一维情况下，固体受热情况下长度进行增加称为线增加。
在相同的条件下，不同材料的固体，其线性程度不同，我们引用线膨胀系数来表明固体的膨胀特性，是基本的物理参数之一，在建筑，桥梁工程，精密仪器，材料焊接等诸多实际生活中得到广泛应用。
关键词：热膨胀，线膨胀，光杠杆
Abstract:In this paper, we understand the metal thermal expansion phenomenon, record the method of measuring the alignment pole coefficient of expansion, learning to master the length of the light lever to measure tiny changes. With solid linear expansion coefficient apparatus, optical lever, binoculars and rod and other components for more than the experimental measurement.
The vast number of material has the characteristics of the heat from the cold, in one dimensional case, the solids by increasing called line length. Under the same conditions, different materials of solid, its linear degree is different, we quoted to show solid linear expansion coefficient of expansion feature, is one of the basic physical parameters in construction, bridge engineering, precision instruments, welding materials, and many other widely used in practical life.
Key words：Thermal expansion ，linear expansion，Optical lever
1.引言
物理名词，有时也称为线弹性系数（linear expansivity），表示材料膨胀或收缩的程度。
分为某一温度点的线膨胀系数和某一温度区间的线膨胀系数，后者称为平均线膨胀系数。
前者是单位长度的材料每升高一度的伸长量；平均线膨胀系数是单位长度的材料在某一温度区间，每升高一度温度的平均伸长量。
线膨胀系数随温度变化的规律类似于热容的变化。
a值在很低温度时很小，随温度升高而很快增加，在德拜特征温度以上时趋向于常数。
线膨胀系数的绝对值与晶体结构和键强度密切相关。
键强度高的材料具有低的线膨胀系数。
相对金属材料，耐火材料的键强大，线膨胀系数小。
一般氧化物的α值在(8～15)×10K 范围，二元硅酸盐物质的α值一般在(5．2～10)×10K碳化物的a值为(5～7)×10K金刚石为1×1010K石英玻璃则由于其结构松弛，结构中四面体的线膨胀能为结构中的空隙所容纳，而具有极小的a值(0．5×1010K非等轴晶体沿不同晶轴的a值不同，尤其是石墨这类层状结构的物质。
石墨的层内结合力强，层向a 值很小(1×1010K)，层间结合力很弱，层间方向a值高达27×10K对于具有很强的非等轴性的晶体，某一方向上的n值可能为负数。
由各向异性多晶体组成的耐火材料和由各相a值不同的多相多晶体组成的耐火材料，在烧成冷却过程中材料
另一部分；利用光杠杆来测量微小程度的变化，利用光反射的原理，把微小长度的变化显示在游标卡尺的读数变化，反应灵闵，简便可靠。
光杠杆有微小镜面，下面有三只引脚，水平放置在仪器台上于此同时测量转角的大小可获得伸长量大小。
以下为实验装置图：3.1
如图3.2所示，当温度升高时，金属杆线度变大，伸长△Ｌ，这时光杠杆镜面向前倾角Φ，既有ｔｇΦ＝△Ｌ／Ｋ，Ｋ为光杠杆的后脚的垂直距离。
实验原理图3.2
金属杆在未发生膨胀之前，在望远镜里的读数为ｎ１，待测固体受热膨胀△Ｌ即光杠杆转过Φ角之后，读数Φ2，取两次读数的差Ｎ＝ｎ２－ｎ１，根据反射光定律，反射线将转过2Φ角，设Ｄ为标尺到镜杆的距离，则有ｔｇ2Φ＝Ｎ/Ｄ，因为△Ｌ很小。
由此得出结论：2△Ｌ/ｋ＝Ｎ／Ｄ导出△Ｌ＝ｋ（ｎ２－ｎ１）/2Ｄ
4.实验的内容与步骤
（1）仪器调节：实验装置图如图3.1所示。
实验时，将待测金属棒直立在线胀系数测定仪的金属圆筒中，棒的下端要和基座紧密相连，上端露出筒外，装好温度计，将光杠杆的后足尖置于金属棒的上端，二前足尖置于固定台上。
在光杠杆前1m左右放置望远镜及直尺。
调节望远镜，直到看清楚平面镜中直尺的像，反复调节，使标尺成像清晰，且叉丝也清晰，并使像与叉丝之间无视差，即眼睛上下移动时，标尺与叉丝没有相对移动；
（2）如果线胀仪采用电加热，测量可从室温开始，每间隔10摄氏度计一次t
和N的值，直到t1达70摄氏度。
然后ｔ２加温到90度，然后逐渐降温，重复测以上数据；
（3）测量标尺到平面镜间水平距离为D，将光杠杆在白纸上轻轻压出三个足尖印痕，用游标卡尺测量其后足尖到两前足尖连线的距离b；
（4）以t为横坐标,N为纵坐标作出N-t关系曲线,求直线斜率k,并由此计算；
（5）把望远镜尺组放在离光杆镜面的1.5米处，尽量使望远镜和光杠杆等高，各项中心都同一光轴水平。
使实验准确并消除视差；
（6）切断电源停止加热，测量标尺与小镜面的距离Ｄ。
然后取下光杠杆，并测量游标卡尺量出前后脚之间的垂直距离Ｋ。
5.实验结果
根据以上数据用公式：Ɑ＝Ｋ（ｎ２－ｎ１）/2ＤＬ（ｔ２－ｔ１）
2△Ｌ/ｋ＝Ｎ／Ｄ导出△Ｌ
＝ｋ（ｎ２－ｎ１）/2Ｄ
把上述实验数据带入公式可得：ɑ＝1.7*10＾-6
6.注意事项
1.在测量过程中，要始终注意保持光杠杆及望远镜镜尺组的稳定。
2.当温度首次达到预置值时温度将超过＋—4度，为正常现象，以后将稳定在范围内（20～70度）
3.温度预置过高时，不宜超过110显示溢出，应关机后重新测量。
7.实验装置的改进
本实验是应用了光杠杆的原理，最后测量数据的值的方法依靠人工读数，需要肉眼从望远镜中观察刻度尺数据进行读数获得数据，虽然操作简单，但是受影响的因素较大，我们考虑用激光器换掉望远镜，用激光束代替肉眼直接观察，实验现象更加明确，测量更加准确。
得到实验结果更加精确。
改进后的实验装置图：
7.1改进实验装置图
8.固体线性膨胀的实际应用
大数物质具有热涨冷缩的特性，在一维情况下，固体受热情况下长度进行增加称为线增加。
在相同的条件下，不同材料的固体，其线性程度不同，我们引用线膨胀系数来表明固体的膨胀特性，是基本的物理参数之一，在建筑，桥梁工程，精密仪器，材料焊接等诸多实际生活中得到广泛应用。