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金属热膨胀系数的测定

[实验目的]
⒈ 了解DH4608A金属热膨胀系数实验仪的基本结构和工作原理。
⒉ 掌握千分表和温度控制仪的使用方法。
⒊ 掌握测量金属线热膨胀系数的基本原理。
4．测量不锈钢管、紫铜管等的线膨胀系数。
5、学会用热电偶测量温度。
6、学会用图解图示法处理实验数据，并分析实验误差。
[实验仪器]
恒温水浴锅、DH4608A金属热膨胀系数实验仪、千分表、待测样品、实验架。
[实验原理]
1、 金属线膨胀仪的结构及使用方法
金属线膨胀仪结构图如图1所示。金属杆的一端用螺钉连接在固定端，滑动端装有轴承，金属杆在此方向可自由伸长，通过流过金属杆的水对金属加热，金属杆受热后在延杆的方向自由膨胀，着个膨胀量用千分表来测量。千分表是利用齿条与齿轮的传动将膨胀量这个线位移转换为角位移，由表针转动的角度来读出这个膨胀量。千分表的大表针转动一圈（小表针转动一格）代表线位移移动0.2mm，最小分度值为0.001mm。温度控制实验仪用来加热和控制金属杆的温度。

图1 实验架结构图
1-热电偶安装座 2-待测样品 3-挡板 4-千分表
通常热电偶安装座安装在待测样品中间位置即挡板和左侧固定点的中间。安装座的一侧有一小孔，将热电偶涂上导热硅脂插在小孔中，实验仪上显示的是热电偶的热电势，查找铜-康铜热电偶分度表可以得出温度值。此表如下：
铜—康铜热电偶分度表
温度℃)
热电势(mV)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-10
-0.383
-0.421
-0.458
-0.496
-0.534
-0.571
-0.608
-0.646
-0.683
-0.720
-0
0.000
-0.039
-0.077
-0.116
-0.154
-0.193
-0.231
-0.269
-0.307
-0.345
0
0.000
0.039
0.078
0.117
0.156
0.195
0.234
0.273
0.312
0.351
10
0.391
0.430
0.470
0.510
0.549
0.589
0.629
0.669
0.709
0.749
20
0.789
0.830
0.870
0.911
0.951
0.992
1.032
1.073
1.114
1.155
30
1.196
1.237
1.279
1.320
1.361
1.403
1.444
1.486
1.528
1.569
40
1.611
1.653
1.695
1.738
1.780
1.865
1.882
1.907
1.950
1.992
50
2.035
2.078
2.121
2.164
2.207
2.250
2.294
2.337
2.380
2.424
60
2.467
2.511
2.555
2.599
2.643
2.687
2.731
2.775
2.819
2.864
70
2.908
2.953
2.997
3.042
3.087
3.131
3.176
3.221
3.266
3.312
80
3.357
3.402
3.447
3.493
3.538
3.584
3.630
3.676
3.721
3.767
90
3.813
3.859
3.906
3.952
3.998
4.044
4.091
4.137
4.184
4.231
100
4.277
4.324
4.371
4.418
4.465
4.512
4.559
4. 607
4.654
4.701
110
4.749
4.796
4.844
4.891
4.939
4.987
5.035
5.083
5.131
5.179
120
5.227
5.275
5.324
5.372
5.420
5.469
5.517
5.566
5.615
5.663
130
5.712
5.761
5.810
5.859
5.908
5.957
6.007
6.056
6.105
6.155
140
6.204
6.254
6.303
6.353
6.403
6.452
6.502
6.552
6.602
6.652
150
6.702
6.753
6.803
6.853
6.903
6.954
7.004
7.055
7.106
7.156
160
7.207
7.258
7.309
7.360
7.411
7.462
7.513
7.564
7.615
7.666
170
7.718
7.769
7.821
7.872
7.924
7.975
8.027
8.079
8.131
8.183
180
8.235
8.287
8.339
8.391
8.443
8.495
8.548
8.600
8.652
8.705
190
8.757
8.810
8.863
8.915
8.968
9.024
9.074
9.127
9.180
9.233
200
9.286

2、千分表使用说明
千分表是一种将量杆的直线位移通过机械系统传动转变为主指针的角位移，沿度盘圆周上有均匀的标尺标记，可用于绝对测量、相对测量、形位公差测量和检测设备的读数头。
本仪器采用的千分表技术参数：
量程
精度等级
分度值
示值总误差
下轴套直径
0-1mm
一等品
0.001mm
±2um
Φ8mm
0-0.04in
0.0001in
±0.00025in

千分表的使用方法：
一、 使用前的准备工作：
(1)．检验千分表的灵敏程度，左手托住表的背面，度盘向前用眼观察，
手拇指轻推表的测头，试验量杆的移动是否灵活。
(2). 检验千分表的稳定性，将千分表夹持在表架上，并使测头处于工作状态，反复几次提落防尘帽自由下落测头，观察指针是否指向原位。
二、测量和读数方法
(1). 先把表夹在表架或专用支架上，所夹部位应尽量是靠近下轴根部，但是不可以影响表圈的转动，夹紧即可，不要太过紧，以免压坏伸缩杆。
(2). 校准零位
校准零位有两种方法：第一种是，旋转表盘的外圈，使刻度盘对准“0”位对准指针。第二种是，轻而缓慢的移动表架的悬臂，使其升起或下降，通过升降量杆的压缩量，这就是等于旋转表针去对准刻度盘的“0”位。
在我们校对零位的时候，应尽量使表的测量头对准基本面，并使量杆有一定的伸缩量（如：0.02～0.2mm），再用扳手固定住千分表支架，夹住千分表。在对好零位后，应反复几次提起，放手让其回落防尘帽（升落0.1mm～0.2mm左右），待指针位稳定后方可旋转表外圈对零。在对零位时，我们要重复检查，要求指针测量既准又稳。
(3).测量
测量平面时，应使千分表的量杆轴线与所测量表面垂直，防止有斜角现象。测量圆柱体时，量杆轴线应该通过工件中心并与母线垂直。在测量过程中，可以看到大小指针都在转动。大指针每转一格为0.001mm（合0.0001in）；大指针转一圈，小指针转一格。在开始测量时，我们要记住大小指针的初始值，待测量读数，做差值即为测量值。在读数视线要垂直于千分表的刻度盘，如果大指针停留在刻线之间，就进行估读。

3、金属线膨胀系数的测定
物质在受热情况下体积会增大，这就是热膨胀，热膨胀是物质的基本热力学性质之一。物质的热膨胀是由于其中的原子或分子的运动加剧造成的。热膨胀与物质的种类有关，即使是同一种物质，在不同的温度下热膨胀的程度也不同。对金属而言，它是由大量无规则排列的晶粒构成的，所以整体表现出各向同性，也就是在不同方向上膨胀程度相同。因此，常用线膨胀系数来表征金属的热膨胀程度。所以本实验只测金属的线膨胀系数。
在一定温度范围内，原长为的物体受热后的伸长量与温度的增长近似成正比，即
（1）
被称为线膨胀系数，单位为℃-1或K-1，其正规定义式为
（2）
设物体在温度为时的长度为，温度升到时其长度增加，通过实验就可得到线膨胀系数为
（3）
所以测量线膨胀系数的问题就转化为怎样测准由于温度变化引起长度的微小变化的问题。要测准就要借组上面介绍的千分表。
[实验步骤]
l、将实验样品固定在实验架上，拧紧锁紧螺钉，注意挡板要正对着千分表。
2、调节千分表和挡板的相对位置，既要保证二者间没有间隙，又要保证千分尺有足够的伸长空间。
3、调节热电偶安装座的位置，使其处在待测样品的中间。
4、将热电偶涂上导热硅脂，插在热电偶安装座的小孔中，热电偶传感器的插头和实验仪上的插座相连。
5、样品的一端用硅胶管与恒温水浴锅出水口相连，一端与恒温水浴锅的进水口相连。
6、关闭水泵电源。
7、确保水浴锅内有足够的水。
8、最后检查仪器连接是否正确，仪器各部分的相对位置摆放合适。
9、打开仪器电源，进入实验。
10、打开水泵开关。
11、以室温为测温起点，每5℃设定一个控温点，再分别测量以后六个控温点，记录样品上的实测温度和千分表上的变化值。
12、根据数据和。通过公式

计算线热膨胀系数。
13、换用不同的金属棒样品，分别测量并计算各自的线热膨胀系数。与附录一提供的参考值进行比较，计算出测量的不确定度。

[数据记录及处理]
固体线热膨胀系数测定表
测量样品： 仪器编号：
温度（以室温为起点，每5oC记录一次）
(oC)
(oC)
(oC)
(oC)
(oC)
(oC)
(oC)

实测温度

千分表读数变化（mm）

(℃)

，，。
[注意事项]
1、千分尺与挡板的位置要安装合适，既要保证二者间没有间隙，又要保证千分尺有足够的伸长空间。
2、样品的一端用硅胶管与恒温水浴锅出水口相连，一端与恒温水浴锅的进水口相连。
3、在水浴锅没有和样品连接好的情况下不要将水泵电源打开。
4、打开水浴锅电源之前仔细检查连接是否正确。
5、温度控制设定值不要超过80度。
6、实验过程中防止水浴锅干烧。
7、实验过程中不能振动仪器和桌子，否则会影响千分表读数。
8、千分表是精密仪表，不能用力挤压。
[思考题]
1. 该实验的误差来源主要有哪些？
2. 利用千分表读数时应注意哪些问题，如何消除误差？
附录一
固体的线膨胀系数表
物质
温度
线膨胀系数/（℃）
铝
0～100℃
22.0～24.0
铁
0～100℃
11.54～13.20
青铜
0～100℃
17.10～18.02
黄铜
0～100℃
18.10～20.08
注：仅供参考，不同金属材料的线膨胀系数不相同；在不同的温度段也不同。