金属线膨胀系数的测量
摘要:本文针对金属线膨胀系数测定实验中存在的问题,提出了另外一种实验方法,简化了操作过程,提高了测量精度。实验的误差比常用的方法小得多，因此，本人希望能对此实验方法进行推广。
关键词:线膨胀系数;激光管;望远镜
Abstract: This article question which exists in view of the Jin Shuxian expansion coefficient determination experiment in, proposed
other one experimental technique, simplified the operating
process, increased the measuring accuracy.The experimental error
is much smaller than the commonly used method, therefore, myself
hoped can the regarding this experimental technique carry on the
promotion.
Key word: Linear expansion coefficient; Laser tube; Telescope 引言
目前,测量金属的线膨胀系数主要是采用电热法和光杠杆法,实验仪器主要由望远镜、标尺、光杠杆、温度计、米尺和线膨胀系数测定仪组成。然而,用这种仪器进行测量会造成许多不便和产生不必要的误差。其主要原因是学生对望远镜使用不熟练,望远镜常常存在视差,造成测量数据不准确。1.改进前仪器的不足之处：金属线膨胀系数的测定是大学物理中一个重要的学生实验,实验中用电热法来加热金属棒,而金属棒的微小伸长量用光杠杆和望远镜进行测量。但是,这种测定方法存在两种明显的不足,即望远镜调节困难和温度测量不准。2. 望远镜的不足：望远镜调节比较麻烦,它的调节还受室内光线的影响,光线太强或太弱都无法调节。其次,望远镜与光杠杆距离的远近要受到望远镜放大倍数的限制,而在读数过程中存在视差,这样就降低了测量的准确度。另外,望远镜成本较高而且容易损坏。3. 温度测量问题：现用的测定仪,把温度计插入金属管内,我们认为金属管的温度就等于温度计指示的温度。但是金属管与温度计之间有空气相隔,它们要靠空气传热,金属管温度要高于温度计温度。另一方面由于金属的比热小,金属管温度变化易受其它因素影响而出现不平稳的现象,这些都会影响到测量结果的准确度。本实验试着用另外一种方法（千分表法）去测量金属的线膨胀系数。
绝大多数物质都具有“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，在机械和仪器的制造中，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，甚至会造成工程的损毁，仪表的失灵，以及加工焊接中的缺陷和失败
等等。
一． 实验目的
学习测量金属线膨胀系数的一种方法。
二．实验仪器
金属线膨胀系数测量实验装置、YJ-RZ-4A 数字智能化热学综合实验仪、 游标卡尺、千分表、待测金属杆（铜杆、铁杆）
金属线膨胀系数测量的实验装置如图1所示
亦成正比，即
?
L = T L ?α （1）
式中的比例系数α称为固体的线膨胀系数（简称线胀系数）。大量实验表明，不同材料的线胀系数不同，塑料的线胀系数最大，金属次之，殷钢、熔凝石英的线胀系数很小。殷钢和石英的这一特性在精密测量仪器中有较多的应用。
几种材料的线胀系数
内有加热引线和温度传感器引线
实验还发现，同一材料在不同温度区域，其线胀系数不一定相同。某些合金，在金相组织发生变化的温度附近，同时会出现线胀量的突变。因此测定线胀系数也是了解材料特性的一种手段。但是，在温度变化不大的范围内，线胀系数仍可认为是一常量。
设固体在温度T1（单位为℃）时的长度为L ，温度升到T2（单位为℃）时，其长度增加△L ，根据式（一），并整理可得到线胀系数
α = )(12T T L L
-? （2）
为测量线胀系数，我们将材料做成条状或杆状。由（1）式可知，测量出1T 时杆长L （一般，杆在1T 时的长度L 可以近似等于杆在常温时的长度）、受热后温度达2T 时的伸长量?L 和受热前后的温度1T 及2T ，则该材料在（1T ，2T ）温区的线胀系数为：
α= )(1212T T L L L -- = )(12T T L L -?= L K
（3）
其中：K= 1212T T L L --= T L
??
其物理意义是固体材料在（1T ，2T ）温区内，温度每升高一度时材料的相对
伸长量，其单位为1)(-?C 。
测线胀系数的主要问题是如何测伸长量?L 。而?L 是很微小的，如当L ≈
250mm,温度变化12T T -≈100℃，金属的a 数量级为105-1)(-?C 时，可估算出?L
≈0.25mm 。对于这么微小的伸长量，用普通量具如钢尺或游标卡尺是测不准的。可采用千分表（分度值为0.001mm ）、读数显微镜、光杠杆放大法、光学干涉法。本实验中采用千分表测微小的线胀量。
设1T 为室温，对应千分表读数为L1，通电加热后，温度每升高5℃或10℃读取一次千分表读数，直至读取十组数据，则可用分组计算法，求得K ，即 Ki =i i i T T L L --++5i 5=[T L
??]I (4)