1、Word文檔干涉法測(cè)量金屬的線膨脹系數(shù)固體的線膨脹是指固體受熱時(shí)在某一方向上的伸長(zhǎng)。這種特 性是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械和儀表制造、材料加工中要考慮的重要 因素。在相同條件下，不同材料的固體線膨脹的程度不同。各種 材料膨脹特性用線膨脹系數(shù)（簡(jiǎn)稱線脹系數(shù)）來(lái)描述。線脹系數(shù) 是選用材料的一項(xiàng)重要指標(biāo)，實(shí)際中經(jīng)常要對(duì)材料線脹系數(shù)做測(cè) 定。對(duì)于金屬材料，溫度變化引起長(zhǎng)度的微小變化比較微小，一般采用光杠桿、光的衍射法等進(jìn)行精確測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)中利用干涉法 測(cè)量金屬棒的熱膨脹系數(shù)。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?觀察物體線膨脹現(xiàn)象，學(xué)會(huì)測(cè)量金屬的線脹系數(shù)2 掌握應(yīng)用邁氏干涉儀測(cè)量物體長(zhǎng)度微小變化的方法、實(shí)驗(yàn)儀器SGR 1型熱膨脹實(shí)驗(yàn)

2、裝置、游標(biāo)卡尺、銅棒、鋁棒 、工作原理在不太大的溫度變化圍,與其原長(zhǎng)Io、溫度的增加量原長(zhǎng)為Io的物體，受熱后其伸長(zhǎng)量 |t近似成正比，即(1)(2)I Io式中的比例系數(shù)即稱為線脹系數(shù)，它表示當(dāng)溫度升高 體的相對(duì)伸長(zhǎng)量。由上式可得lI t不同材料的線脹系數(shù)不同，塑料的線脹系數(shù)最大，金屬次之, 石英玻璃線脹系數(shù)很小。線脹系數(shù)是選用材料的一項(xiàng)重要指標(biāo)。附表中列出幾種物質(zhì)的線脹系數(shù)值，對(duì)應(yīng)有一個(gè)溫度圍。表1幾種材料的線脹系數(shù)材料銅鋁鉑普通玻璃石英玻璃瓷器6 0 1/ 10 ( C)17.123.89.19.50.53.44.1溫度圍C）01002020020700實(shí)驗(yàn)指出，同一材料在不同的溫度區(qū)段

3、，其線脹系數(shù)是不同 的，但在溫度變化不大的圍，線膨脹系數(shù)近似是一個(gè)常量。線膨 脹系數(shù)的測(cè)定是人們了解材料特性的一種重要手段。在本實(shí)驗(yàn)中我們用SGR-1型熱膨脹實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量金屬棒在20 C50 C圍的線膨脹系數(shù)，其工作原理是基于光干涉法來(lái)進(jìn)行微小長(zhǎng)度量的測(cè)量， 其光路圖見(jiàn)圖1所示。從He-Ne激光器出射的激光束經(jīng)過(guò)分束器（半反鏡）后分成兩束，分別由兩個(gè)反射鏡：定鏡和動(dòng)鏡反射回來(lái)，由于分束器的作用兩束反射光在觀察屏上會(huì)相遇并形成明暗 相間的同心環(huán)狀干涉條紋。長(zhǎng)度為lo的待測(cè)固體試件被電熱爐加熱，當(dāng)溫度從to上升至t時(shí)，試件因受熱膨脹，從lo伸長(zhǎng)到I，同時(shí)推動(dòng)邁克耳干涉儀的動(dòng) 鏡，使干涉條紋發(fā)生 N

4、個(gè)環(huán)的變化，則(3)I - lo = A= N2轉(zhuǎn)向鏡M2動(dòng)鏡石英管試樣電熱爐測(cè)溫探頭石英墊(4)ll0 (t t0 )所以只要測(cè)出某一溫度圍的固體試件的伸長(zhǎng)量和加熱前的長(zhǎng)度，就可以測(cè)出該固體材料的線膨脹系數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)步驟1. 安放試件（1） 用M4螺釘旋入試件一端的螺紋孔，從試件架上提拉出來(lái)，橫放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，再用卡尺測(cè)量并記錄試件初始長(zhǎng)度Io。（2） 將電熱爐從儀器側(cè)面的臺(tái)板上平移取下，手提M4螺釘把試件送進(jìn)電熱爐（注意：試件的測(cè)溫孔與爐側(cè)面的圓孔一定要 對(duì)準(zhǔn)）。（3）卸下M4螺絲，用平面鏡背面石英管一端的螺紋件將平 面鏡與試件聯(lián)接起來(lái)（注意：用手稍微擰緊平面鏡后不可再用力， 否則容易損壞平

5、面鏡同螺紋之間的石英細(xì)管）。在爐體復(fù)位（從臺(tái)板開(kāi)口向里推到頭）后，務(wù)必將測(cè)溫探頭穿過(guò)爐壁插入試件下半 截的測(cè)溫孔，測(cè)溫器手柄，應(yīng)緊靠電熱爐的外殼（圖2）。爐體下部與側(cè)臺(tái)板之間，用兩個(gè)手鈕鎖緊。圖2電熱爐結(jié)構(gòu)示意圖2. 調(diào)節(jié)邁克耳干涉光路打開(kāi)裝置總電源，按 激光”開(kāi)關(guān)，撥開(kāi)擴(kuò)束器，調(diào)節(jié)Mi和M 2兩個(gè)平面鏡背后的螺絲，使觀察屏上的兩組光點(diǎn)中的兩個(gè)最強(qiáng) 重合，然后把擴(kuò)束器轉(zhuǎn)到光路中，屏上即出現(xiàn)干涉條紋，這時(shí)微 調(diào)平面鏡的方位，可將橢圓干涉環(huán)的環(huán)心調(diào)到視場(chǎng)的適中位置。對(duì)擴(kuò)束器作二維調(diào)節(jié)，可糾正觀察屏上光照的不均勻。3. 測(cè)量（1）測(cè)量鋁棒的線膨脹系數(shù) 測(cè)量前，先將溫控儀選擇開(kāi)關(guān)置于 設(shè)定”轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)定旋

6、鈕，直到顯示出預(yù)定溫度值。設(shè)定溫度后，將選擇開(kāi)關(guān)置于測(cè)量” 按 加熱”鍵，觀察干涉圓環(huán)的變化，當(dāng)溫度顯示超過(guò)室溫5C后，記錄試件初始溫度 to,同時(shí)開(kāi)始仔細(xì)默數(shù)干涉環(huán)的變化個(gè) 數(shù)。待達(dá)到預(yù)定數(shù) 50環(huán)時(shí)，記錄此時(shí)的溫度顯示值t。測(cè)試完畢后，直接按 暫停”鍵，停止加熱。可根據(jù)公式（ 3）和（4）計(jì)算 鋁棒的線脹系數(shù)。（2 ）測(cè)繪銅棒線膨脹與溫度變化關(guān)系曲線 更換試件。松開(kāi)加熱爐下部的手鈕，使?fàn)t體平移，離開(kāi)側(cè)臺(tái)板。旋下動(dòng)鏡拔下測(cè)溫頭，再換上螺絲提手從爐取出試件。待 爐溫度降到最接近室溫的穩(wěn)定值，按步驟1要求安放待測(cè)試件，安妥后通常需要重新調(diào)節(jié)光路。 按 加熱”鍵，觀察干涉圓環(huán)的變化，當(dāng)溫度顯示超過(guò)

7、室溫3C后，記錄試件初始溫度 to,同時(shí)開(kāi)始仔細(xì)默數(shù)干涉環(huán)的變化個(gè) 數(shù)。每計(jì)數(shù)20個(gè)干涉環(huán)時(shí)，記錄此時(shí)的對(duì)應(yīng)的溫度顯示值t,共5組100環(huán)。實(shí)驗(yàn)完畢，切斷加熱爐電源。以橫軸標(biāo)出銅棒溫度變化t t t0,以縱軸標(biāo)出線膨脹伸長(zhǎng)量|，描點(diǎn)作圖。由圖解法求出鋁的線脹系數(shù)。五、數(shù)據(jù)記錄與處理1. 測(cè)量鋁棒的線脹系數(shù)初始長(zhǎng)度Io鋁= = 632.8 nm表1試件品種溫度廠C干涉環(huán)變化數(shù)N試件伸長(zhǎng)量I N -2線膨脹系數(shù)（X10-6/ C）tot硬鋁502.測(cè)量銅棒線膨脹與溫度變化關(guān)系曲線初始長(zhǎng)度I o銅= = 632.8 nm表2干涉環(huán)變化數(shù)N020406080100溫度t / Ct/CI /mm斜率K

8、=線漲系數(shù)=六、注意事項(xiàng)（1 ）在平面鏡與銅螺絲之間粘接的 石英細(xì)管質(zhì)脆易損，不能 承受較大的扭力和拉力 ；爐底上的石英墊不能承受試件落體的沖 擊；試樣入爐與出爐必須用 M4長(zhǎng)螺釘做輔助工具。（2）實(shí)驗(yàn)前不要按 加熱”開(kāi)關(guān)，以免為恢復(fù)加熱前溫度而延 誤實(shí)驗(yàn)時(shí)間，或因短時(shí)間溫度忽升忽降而影響實(shí)驗(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)確度。 實(shí)驗(yàn)中，每次加熱前都需要靜置一段時(shí)間觀察溫度顯示，耐心等 待試件入爐后的熱平衡狀態(tài)。（3）為了避免體溫傳熱對(duì)爐外熱平衡擾動(dòng)的影響，不要用手抓握待測(cè)試件。（4）本儀器宜在低照度實(shí)驗(yàn)室使用，室應(yīng)避免強(qiáng)烈的空氣流 動(dòng)。地面和臺(tái)面不可有較強(qiáng)的震動(dòng) 。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)保持安靜。（5）注意保護(hù)眼睛，不要正面直

9、接注視激光光束。附錄SGR-1型熱膨脹實(shí)驗(yàn)裝置1.儀器外形見(jiàn)圖3。圖32. 主要技術(shù)指標(biāo)He-Ne激光器：功率約 1 mW，波長(zhǎng)632.8 nm分束器光圈數(shù)：N = 2平面鏡光圈數(shù)：N = 2數(shù)字測(cè)溫最小分度：0.1 C試件品種：硬鋁（20 C起測(cè)）黃銅 a =20.6 X10c（ 25300C）鋼（20C起測(cè)）試件尺寸：I = 150 mm ,護(hù)18 mm適宜升溫圍：室溫 一60 C溫控儀工作環(huán)境：溫度 0 50 C,濕度85%以下無(wú)腐蝕性氣體線膨脹裝置系統(tǒng)誤差：v 3 %耗電功率：約50 W重量（含附件）：17.25 kg3. 數(shù)顯溫控儀數(shù)顯溫控儀的測(cè)溫探頭通過(guò)銅熱電阻，取得代表溫度信號(hào)的 阻值，經(jīng)電橋放大器和非線性補(bǔ)償器轉(zhuǎn)