1、作品編號山東省第七屆大學生物理科技創新大賽作品申報書 作品名稱： 基于光杠桿液體體積膨脹系數測量儀的改進 學校全稱： 申報者姓名： 指導教師： 類別： 物理量的測試、分析儀器或裝置（A類） þ 物理實驗教學的儀器或裝置（B類） 需用多媒體方式展示的無法拿到現場的作品（C類）山東省第七屆大學生物理科技創新大賽組委會制2015年5月 說 明1申報者應在認真閱讀此說明各項內容后按要求如實填寫。2作品編號由大賽組委會統一填寫。3作品的研究報告必須用中文撰寫，并附于申報書后，一般不應少于2000字。4作品申報書和研究報告必須按規定時間由各校統一將電子稿件發到大賽組委會E-MAIL郵箱。申 報

2、者 情 況申報者情況姓 名 性別 出生年月 學校全稱 專業應用電子技術現學歷專科年級 學制 通訊地址 聯系電話 合作者情況姓 名性別年齡學歷所在單位 指導教師情況和意見指導教師情況 姓名 性別 年齡職 稱 單位 聯系電話 對作品的真實性以及作品的意義、水平等評價液體的體積膨脹系數(簡稱體脹系數)是一個表征液體受熱時體積變化的重要物理量，是工程設計中必須考查的重要物理參量之一。在實驗室中常采用膨脹計進行測量，該方法操作很不方便，條件要求苛刻，精確度較差。因此，人們研究了多種測量熱膨脹系數的方法。例如：利用溫度計測量水銀和酒精的體脹系數，原理清晰，方法簡便， 但只能測量酒精或水銀，具有很大的局限性

3、。用帶有毛細管的比重瓶測量液體的體脹系數的方法，通過測量液體膨脹前后毛細管中液位的變化來計算，但容易受液體中氣泡的影響，毛細管直徑測量困難較大。鑒于以上原因 ，我們制作了一種新的液體體脹系數測量儀器，利用光杠桿法測量液位的微小變化，進而達到精確測量液體體脹系數的目的，本實驗設計可以測量多種液體的體脹系數 。申報者所在學院審核意見 年 月 日申報作品情況（由申報者本人填寫）作品全稱基于光杠桿液體體積膨脹系數測量儀的改進展示形式及實物尺寸軟件þ實物及尺寸：作品設計的目的和基本思路（相關資料作為附件，例如研究報告、實驗數據、外觀圖、鑒定證書和應用證書等）針對實驗室常見的液體體脹系數測量方法

4、操作繁瑣、勞動強度大、 測定時間長、實驗費用高等缺點，設計了光杠桿測量液體體脹系數的實驗裝置，使裝入試管中的液體溫度緩慢變化，通過光杠桿測量液面的高度的變化，可以準確地測量出液體的體脹系數。儀器組成主要有單片機控制系統、待測液體放置容器、浮筏、光杠桿、激光傳感器、溫度傳感器組成的測微系統。 光杠桿前足放在固定平臺上， 后足置于浮筏上將光杠桿和激光傳感器調整好。設開始時，光杠桿的平面鏡豎直，即鏡面法線在水平方向，當溫度變化時激光反射點隨鏡面偏轉，當激光傳感器第一次檢測到信號時，溫度傳感器記錄溫度為a。溫度持續變化，光杠桿的后足尖隨之下降L ，光杠桿平面鏡轉過一較小角度，法線也轉過同一角度。當激光

5、傳感器再次接收到信號是溫度傳感器再次記錄溫度b，記T=ba。tan= LC， tan2=nD。式中,C為光杠桿常數(光杠桿后腳尖至前腳尖連線的垂直距離)；D 為光杠桿鏡面至尺讀望遠鏡標尺的距離。由于偏轉角度很小，即L<< b，n <<D，所以近似的有LC，2 nD，則L = C2D·n。則微小變化量L可通過較易準確測量的b、D、T間接求得。作品的創新點、技術難點和實際應用情況創新點（1）儀器與普通測量液體體膨脹系數測量的儀器相比操作方便、簡單，數據直觀性好（2）儀器可適用于測量多種液體的體膨脹系數技術難點（1）儀器物理器件的精準度制做（2）儀器抗干擾處理（3）

6、平面鏡與浮筏的同步聯動制作其他說明評審委員會意見組委會秘書處資格審查通過審查 未通過審查 審查人（簽名） 年 月 日評審小組成績 小組內排名： 得 分： 組長（簽名） 年 月 日評審會終審建議特等獎 一等獎二等獎 三等獎未獲獎 主任（簽名） 年 月 日作品編號山東省第七屆大學生物理科技創新大賽研究報告 作品名稱： 基于光杠桿液體體積膨脹系數測量儀的改進 學校全稱： 申報者姓名： 指導教師： 類別： 物理量的測試、分析儀器或裝置（A類）þ 物理實驗教學的儀器或裝置（B類） 需用多媒體方式展示的無法拿到現場的作品（C類）研究報告的主要內容（不限于此）：l 研究背景及意義l 國內外現狀l

7、原理及依據l 解決的關鍵問題l 主要功能和實用情況l 創新點或特色基于光杠桿液體體積膨脹系數測量儀的改進 （ 濱州學院 ）摘要：液體的體積膨脹系數(簡稱體脹系數)是一個表征液體受熱時體積變化的重要物理量，是工程設計中必須考查的重要物理參量之一。在實驗室中常采用膨脹計進行測量，該方法操作很不方便，條件要求苛刻，精確度較差。因此，人們研究了多種測量熱膨脹系數的方法。例如：利用溫度計測量水銀和酒精的體脹系數，原理清晰，方法簡便， 但只能測量酒精或水銀，具有很大的局限性。用帶有毛細管的比重瓶測量液體的體脹系數的方法，通過測量液體膨脹前后毛細管中液位的變化來計算，但容易受液體中氣泡的影響，毛細管直徑測量

8、困難較大。鑒于以上原因 ，我們制作了一種新的液體體脹系數測量儀器，利用光杠桿法測量液位的微小變化，使用各種傳感器采集數據，進而達到精確測量液體體脹系數的目的，本實驗設計可以測量多種液體的體脹系數 。關鍵字：光杠桿 液體體脹系數 準確測量一 引言 液體的體積膨脹系數(簡稱體脹系數) 是一個表征液體受熱時體積變化的重要物理量, 在實驗室中常采用膨脹計進行測量, 該方法操作很不方便, 條件要求苛刻，精確度較差。人們還研究了多種測量熱膨脹系數的方法，這些方法為本文設計提供了研究基礎，分別利用水銀溫度計和酒精溫度計測量了水銀和酒精的體脹系數, 原理清晰, 方法簡便, 但只能測量酒精或水銀，具有很大的局限

9、性。用帶有毛細管的比重瓶測量液體的體脹系數的方法, 通過測量液體膨脹前后毛細管中液位的變化來計算, 但毛細管直徑測量困難較大。本文利用光杠桿和激光傳感器、溫度傳感器測量液體的體脹系數，精度高、數據讀取方便快捷而且可以測量多種液體的體脹系數，且精確度極高。 圖1 作品實物圖二 原理2.1光杠桿測量系統原理光杠桿測量系統構造如圖1所示。光杠桿就是一個可繞通過鏡面中心的水平軸轉動的平面鏡，如圖2所示。平面鏡的支架由三個尖足支撐，三個尖足的連線為一等腰三角形。前兩尖足連線與平面鏡水平軸線在同一平面內（平面鏡俯仰方位可調），實驗時放于平臺的橫槽中。后足在前兩足連線的中垂線上，實驗時放于待測的有微小長度變

10、化的物體上。尺讀望遠鏡由一把豎直放置的毫米刻度尺和在尺旁的一個望遠鏡組成，它們被固定在同一立柱上。 圖2 光杠桿測量系統 圖3 光桿桿 儀器組成主要有單片機控制系統、待測液體放置容器、浮筏、光杠桿、激光傳感器、溫度傳感器組成的測微系統。 光杠桿前足放在固定平臺上， 后足置于浮筏上將光杠桿和激光傳感器調整好。設開始時，光杠桿的平面鏡豎直，即鏡面法線在水平方向，當溫度變化時激光反射點隨鏡面偏轉，當激光傳感器第一次檢測到信號時，溫度傳感器記錄溫度為a。溫度持續變化，光杠桿的后足尖隨之下降L ，光杠桿平面鏡轉過一較小角度，法線也轉過同一角度。當激光傳感器再次接收到信號是溫度傳感器再次記錄溫度b，記T=

11、ba。tan= LC， tan2=nD。式中,C為光杠桿常數(光杠桿后腳尖至前腳尖連線的垂直距離)；D 為光杠桿鏡面至尺讀望遠鏡標尺的距離。由于偏轉角度很小，即L<< b，n <<D，所以近似的有LC，2 nD，則L = C2D·n。則微小變化量L可通過較易準確測量的b、D、T間接求得。三 相關設備3.1實驗裝置 實驗裝置如圖3所示。采用水浴加熱,待測液體放置于加熱水套內,待測液體上面有一質量很小的浮筏。右側為光杠和數據采集尺組成的測微統,激光傳感器和溫度傳感器組成數據采集系統。光杠桿前足放在光杠桿調節平臺上,后足置于浮筏上。 圖4 實驗裝置圖3.2 數據采集

12、系統使用激光傳感器利用鏡面反射原理采集信息。調節激光反射點在a點之下。當溫度升高或降低時，引起鏡面偏轉此時激光反射點會逐漸向a點移進，當a點檢測到激光時溫度傳感器采集溫度T1，當b點檢測到激光時溫度傳感器采集溫度T2，此時調換激光接受器的位置重復操作。 圖5 數據采集四 操作流程 控制盒、標尺臺、光桿桿調節臺、加熱器依次擺放至試驗臺。將光杠桿后足放置于浮筏上端，光杠桿前足放置于光杠桿調節臺上端。將標尺放置于標尺臺并調整標尺與光杠桿鏡面平行。打開電源，移動光杠桿使激光反射點在標尺上，旋轉光杠桿調節臺旋鈕調整激光放射點正好處于激光接收器下端或上端。使用微小測量系統設置最大溫度值，按確認鍵，打開加熱

13、器。等待系統自動檢測，當激光傳感器檢測到信號時系統內置蜂鳴器提示，當系統第二次檢測到信號時，記錄檢測數值。按復位鍵，更換監測點再次測量記錄監測數值。獲取多組數據后關閉儀器電源，等到加熱器中液體降溫后收拾實驗儀器。 圖6 儀器界面五 數據處理 液體體積膨脹系數計算公式,從實驗中測量的L、T可求出。文獻10 給出純凈水在20左右的體膨脹系數為=2.07×,由于自來水的純凈度不高,導致測量產生誤差。即使采用水浴恒溫,待測液體的不同部分溫度也略有不同,各部分的壓強也不同。液位越低,壓強的不均勻影響越小,但液位改變量越不明顯。所以實驗取得的精度可以滿足工程測量要求，準確度較高。四 創

14、新點1.本實驗用液面的高度變化的測量代替體積變化的測量，簡化了操作，讓實驗變得既簡單易行又獲得了高精度的測量。 2.利用光杠桿測量了液位的微小變化,得到自來水的體脹系數,而且將光學與熱學有機結合了起來原理簡單,準確度較高,實用性較強，也,避免了其他測量方法操作復雜、測量種類單一的缺點。而且拓展了光杠桿在物理實驗中的應用。 3.利用光杠桿測量深化了已有實驗儀器的測量范圍，將測量力學的儀器運用到了熱學，使不同學科間知識結合，利于不同學科之間的融合。 4.采用組裝儀器的復合組裝和儀器自制，提高了學生的實驗能力和創新能力。   五 參考文獻 1 飯田修一.物理學常用數表M.北京:科學出版社,1979。2 張昆. 測量水銀體脹系數的簡便方法J.甘肅聯合大學學報( 自然版), 2006, 20(2): 89-90。3 王萍, 張昆. 酒精體脹系數的測量方法J.唐山師范學院學報,2006,28(2):70-71。4 孟祥省.大學普通物理實驗M.濟南:山東大學出版社,2004。5 劉竹琴.用力敏傳感器測量液體的體脹系數J.大學物理,200