热膨胀系数/热膨胀
热膨胀仪【热膨胀】物体因温度改变而发生的膨胀现象叫“热膨胀”。通常是指外压强不变的情况下，大多数物质在温度升高时，其体积增大，温度降低时体积缩小。在相同条件下，气体膨胀最大，液体膨胀次之，固体膨胀最小。也有少数物质在一定的温度范围内，温度升高时，其体积反而减小。因为物体温度升高时，分子运动的平均动能增大，分子间的距离也增大，物体的体积随之而扩大；温度降低，物体冷却时分子的平均动能变小，使分子间距离缩短，于是物体的体积就要缩小。又由于固体、液体和气体分子运动的平均动能大小不同，因而从热膨胀的宏观现象来看亦有显着的区别。【膨胀系数】为表征物体受热时，其长度、面积、体积变化的程度，而引入的物理量。它是线膨胀系数、面膨胀系数和体膨胀系数的总称。【固体热膨胀】固体热膨胀现象，从微观的观点来分析，它是由于固体中相邻粒子间的平均距离随温度的升高而增大引起的。晶体中两相邻粒子间的势能是它们中心距离的函数，根据这种函数关系所描绘的曲线，如图2-6所示，称为势能曲线。它是一条非对称曲线。在一定温度下，粒子在平衡位置附近振动、具有的动能为EK，总能量为EK与相互作用能EP之和，它在整个运动过程中是守恒的。图中，粒子间最接近的距离是r′，最远的距离是r〃。由于距离减小所引起的斥力增长比由于距离增大所引起的引力下降快的多，因而粒子间接近的距离与粒子间远离的距离关系是r0r′＜r〃-r0所以两相邻粒子中心的平均距离为变的情形。由此可见，当晶体温度升高，粒子热振动加剧，体积膨胀。【固体的线膨胀】由于固体随温度的变化而变化，当温度变化不太大时，在某一方向长度的改变量称为“固体的线膨胀”。例如，一细金属棒受热而伸长。固体的任何线度，例如，长度、宽度、厚度或直径等，凡受温度影响而变化的，都称之为“线膨胀”。【线膨胀系数】亦称线胀系数。固体物质的温度每改变1摄氏度时，其长度的变化和它在0℃时长度之比，叫做“线膨胀系数”。单位为1/开。符号为αl。其定义式是即有lt=l0（l+αlt）。由于物质的不同，线膨胀系数亦不相同，其数值也与实际温度和确定长度l时所选定的参考温度有关，但由于固体的线膨胀系数变化不大，通常可忽略这种变化，而将α当作与温度无关的常数。【固体的面膨胀】当固体的温度变化不大时，其表面积随温度的升高而增大，这一现象叫“固体的面膨胀”。遵循的规律为：St=S0（1+αst）式中αs为面膨胀系数，单位是1/开，其量值为αs≈2ατ。【固体的体膨胀】当固体的温度变化不大时，其体积随温度的升高而增大，这一现象叫“固体的体膨胀”。【体积膨胀系数】或称“体胀系数”。无论物质是哪种（固体、液体或气体）形态的变化，都称之为体膨胀。当物体温度改变1摄氏度时，其体积的变化和它在0℃时体积之比，叫做“体积膨胀系数”。符号用α表示。设在0℃时物质的体积为V0，在t℃时的体积为Vt，则体胀系数的定义式为即有Vt=V0（1+αt）。由于固体或液体的膨胀系数很小，为计算方便起见，在温度不甚高时，可直接用下式计算，无需再求0℃时的体积V0V2=V1[1+α（t2-t1）]。式中V1是在t1℃时的体积，V2是在t2℃时的体积。这一式只适用于固体或液体，因为气体物质的膨胀系数值较大，不能运用此式。【液体热膨胀】液体是流体，因而只有一定的体积，而没有一定的形状。它的体膨胀遵循Vt=V0（1+βt）的规律，β是液体的体膨胀系数。其膨胀系数，一般情况是比固体大得多。【气体的热膨胀】气体热膨胀的规律较复杂，当一定质量气体的体积，受温度影响上升变化时，它的压强也可能发生变化。若保持压强不变，则一定质量的气体，必然遵循着Vt=V0（1+γt）的规律，式中的γ是气体的体膨胀系数。盖·吕萨克定律，反映了气体体积随温度变化的规律。这一定律也可表述为：一定质量的气体，在压强不变的情况下，温度每升高（或降低）1℃，增加（或减小）的体积等于它在0℃时体积。【反常膨胀】一般物质由于温度影响，其体积为热胀冷缩。但也有少数热缩冷胀的物质，如水、锑、铋、液态铁等，在某种条件下恰好与上面的情况相反。实验证明，对0℃的水加热到4℃时，其体积不但不增大，反而缩小。当水的温度高于4℃时，它的体积才会随着温度的升高而膨胀。因此，水在4℃时的体积最小，密度最大。湖泊里水的表面，当冬季气温下降时，若水温在4℃以上时，上层的水冷却，体积缩小，密度变大，于是下沉到底部，而下层的暖水就升到上层来。这样，上层的冷水跟下层的暖水不断地交换位置，整个的水温逐渐降低。这种热的对流现象只能进行到所有水的温度都达到4℃时为止。当水温降到4℃以下时，上层的水反而膨胀，密度减小，于是冷水层停留在上面继续冷却，一直到温度下降到0℃时，上面的冷水层结成了冰为止。以上阶段热的交换主要形式是对流。当冰封水面之后，水的冷却就完全依靠水的热传导方式来进行热传递。由于水的导热性能很差。因此湖底的水温仍保持在4℃左右。这种水的反常膨胀特性，保证了水中的动植物，能在寒冷季节内生存下来。这里还应注意到，冰在冷却时与一般物质相同，也是缩小的。受热则膨胀，只有在0℃到4℃的范围内的水才显示出反常膨胀的现象来。
固体的热膨胀/热膨胀
【实验方法】固体的热膨胀1．介绍固体线膨胀演示器的构造，如图2．13－3所示。金属棒的一端固定，另一端可以自由移动。金属棒伸长时，自由端沿棒的纵向移动，同时带动指针偏转。调节金属棒的位置（例如拧动固定端的螺旋），使指针处于竖直位置，并在标度板上做出标记。2．强调金属棒是研究对象。观察的重点是指针，它的左右偏转，表明金属棒的缩短或伸长。3．在酒精槽中倒入少量酒精，点燃酒精对金属棒直接加热，指针将向右偏转，表明金属棒温度升高时体积膨胀，长度增大。酒精烧尽后火焰熄灭，金属棒温度降低（还可用湿毛巾盖在棒上，再淋些冷水，加速冷却），指针向左偏转，表明温度降低时，金属棒收缩。固体的热膨胀4．放置两根金属棒（对应地有两个指针），一根是铜棒，一根是铁棒，加热时，与铜棒相连的指针偏转较大，表明同样条件下，铜棒比铁棒膨胀较多。比较三个实验的加热方式，可知气体温度变化最小，金属棒的温度变化最大。比较三个实验显示膨胀采用的不同放大方式，气体和液体热膨胀实验都利用细玻璃管内小液柱或液面的移动显示烧瓶内气体或液体的膨胀结果，固体膨胀采用杠杆式指针将金属棒的线膨胀放大。通过比较可知，如果温度升高相同时，气体膨胀最大，固体膨胀最小。【参考资料】金属球和环热胀冷缩的实验。球和环温度相同时，金属球可以穿过金属环，若只把金属球放在酒精灯火焰上烧热，则球不能穿过金属杯；向球上淋冷水，使球温度降低后，球又能穿过环。若把金属球和环一起加热，则不论什么温度，球总能穿过金属环。然后，只把金属环冷却，球又不能穿过环，再把球冷却，球又可以穿过环。固体的热膨胀取长约0．5－1米的金属丝（如铜丝），两端固定，使金属丝水平张紧。在金属丝中部C处挂一个物体。用酒精灯对AC和BC两段金属丝加热（加热时，酒精灯在金属丝下来回移动），几分钟后，可以看到悬挂的重物位置下降。这表明金属丝受热后膨胀。晶体的热膨胀
测量仪器/热膨胀
热膨胀仪技术参数1、最高炉温：1000℃，1400℃，1600℃由客户自选。2、升温速度：0-100度/分可调，电脑程序控温。3、计算机自动计算膨胀系数、体膨胀系数、线膨胀量。4、自动计算补偿系数并自动补偿，也可人工修正（在线）。5、自动记录、存储、打印数椐，打印温度-膨胀系数曲线。温度间距自由设定，最小间距1℃。6、膨胀值测量范围：±2.5mm。7、测量膨胀值分辨率：1um，自动校正量程。8、试样范围φ8×50㎜9、采用进口直线轴承传动，实现膨胀值无磨擦传递，传动精度及重复性极好。10、系统测量误差：±0.1-0.5%。11、电源电压：220V±10﹪，2KW。12、仪器配有标准计算机接口，可与通用计算机相联，所有试验操作均计算机界面完成，操作方便易学并提供全套软件。
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贡献光荣榜来源： 作者：戴玮;刘欣;张连庆;刘伟;
基于PID温控技术的固体线膨胀系数测量实验
传统的光杠杆法测量固体线膨胀系数实验装置,是用电加热丝在待测金属管外表面进行加热;用放置在管内的温度传感元件采集温度,通过光杠杆和望远镜来测量金属管在不同温度下对应的长度,从而计算出该金属的线膨胀系数。由于温度传感元件与金属管内壁接触不充分,采集的温度与实际待测金属管的温度误差较大,加上热惯性对温控的影响,导致测量结果的误差大[1]。改进后的实验装置,采用自制的热循环水系统在金属管内进行加热,并利用PID温度调节系统来调节控温,使待测金属管受热均匀、温度采集和控制准确,从而提高测量结果的精度。该实验装置不仅保留了传统光杠杆法测量的训练内容,而且增加了PID温度调节系统原理知识的内容,由于测量样品温度准确度高,且样品受热温度均匀,所以测量结果误差小。1 PID温度控制原理PID调节是自动控制系统中应用最为广泛的一种调节技术,采用PID调节技术的自动控制过程如图1所示。图1自动控制系统框图若被控量与设定值之间有偏差e(t)=设定值-被控量,调节器依据e(t)及一定的调节规律输出调节信号u(t),执行单元按u(t)输出操作量至被控对象,使被控量逼近直至最后等于设......(本文共计3页)
　　　　　　　
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大学物理实验
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摘要：介绍了测量金属线胀系数实验仪的工作原理，对误差产生的原因进行分析，结合J-FG3-D型测量仪对仪器进行改进，比较改进前后的测量结果，发现改进后实验误差降低、精确度提高。改进简单，成本较低，适宜推广。
论文关键词：金属线胀系数,误差,改进
材料的线胀系数在工业技术上有广泛的运用，测量金属线胀系数实验是理工科学生必做的大学物理实验。该实验的加热方法有三种：水蒸汽加热法、流水加热法和电加热法；电加热法是三种方法中操作最简单、最节约时间的一种。在教学中我们使用西安教学仪器厂生产的J-FG3-D型金属线胀系数测定仪，采用电加热法。该实验仪器由于设计的原因，其测量精度误差很大，针对该仪器的特点提出实验改进方法。
当金属温度升高时，由于分子的热运动，金属内微粒的间距增大使金属发生膨胀，金属受热而引起长度的增加称为&线膨胀系数&(简称线胀系数，用&表示)。由文献[1]可知金属棒的长度l和温度之间关系为
式中l为t=0℃时金属棒的长度。金属棒的温度为t时，长度为l，当温度变为t+&Dt时，其长度变为l+&Dl，根据式(1)，可得
由(1)(2)二式消去l，整理得出
由(3)式可以看出只要测出金属棒的温差&Dt及长度变化量&Dl即可测出&。最常用的方法是使用由望远镜、反射镜、标尺、支架等&光杠杆&系统对微小长度进行放大测量。该方法的优点是将力学中的杠杆原理与光的反射定律巧妙地结合在一起，将微小的长度有效地放大&Dl的测量公式为：
式中d为光杠杆两前足尖连线到直尺的距离，d为光杠杆后足间到两前足尖连线的垂直距离。a、a分别是固体材料温度为t、t时，叉丝横线在标尺上的位置坐标。将（4）代入（3）得：
由(5)式可知，如果&Da、&Dt可以准确的测量出来，那么金属线胀系数就可以精确测量。
这种方法虽然好但是由于该仪器实际的加热圈分布不均匀（如图1所示）示，导致我们所测量的温度t&与金属实际温度t之间有差值（如表1示），而&Da（或&Dl）的值却与金属的实际温度变化量&Dt有关，所以产生误差。分析误差产生的原因，主要是由于实验仪器的结构造成的。如图1所示，加热线圈紧贴在实验仪器的内筒外壁上，黄铜棒密封在筒内。当系统加热时，通过加热筒内密封的空气，而使铜棒加热。控温系统采集的温度是由热敏电阻采集到筒外壁的温度，不是铜棒的实际温度。由表1可知加热升温时铜棒的实际温度低于控温系统采集的温度；而降温时实际温度要稍微要高一些，但是还是低于测量温度。这样铜棒的实际温度与测量的温度是不同的。所以测量的&Dt&与实际&Dt的值不相等，再用(5)式计算金属的线胀系数&的值误差就比较大。
表1测量温度与金属实际温度的比较
测量值t&(℃)
升温金属实际温度t(℃)
降温金属实际温度t(℃)
举一组改进前的实验数据为例如表2所示：
表2改进前实验数据
测量值t&(℃)
升温a (mm)
降温a (mm)
处理数据得出黄铜在室温23℃的线胀系数&=(1.35&0.11)&10/℃，相对误差E=24%，误差比较大(黄铜在20℃时，标准线胀系数为1.78&10/℃)。
3仪器改进措施
文献报道中有关该实验改进方法，大多是从精确测量&Dl（当温度改变&Dt℃时金属长度的改变量）出发的，例如千分表测量法，千分表测量&Dl的变化情况，其准确度可达0.001mm；光干涉测量法、光衍射测量法、激光传感器测量法等都是通过改进实验仪器精确的测量&Dl的变化，默认测量到的&Dt&是金属棒的实际温度变化量&Dt，进而用(5)式计算金属的线胀系数&的值。如果实验中不能精确测量金属的实际温度变化&Dt，那么必须对设备做出改进，基于这一目的我们提出了下面的实验改进方法。
将控温系统中测量温度的热敏电阻和被测金属棒的距离拉近，在金属筒的壁上凿了一个直径为3mm的小孔，将热敏电阻探进筒内的空气中，使其接近被测金属，处于待测金属棒的周围，然后封闭小孔，内筒仍然是处于密封状态。由于热敏电阻很接近被测金属，又处于和金属棒同温度的空气中，可以即时准确地测量金属的实时温度，进而真正解决测量温度与实际温度不等的问题。
改进后的实验仪器采集的数据如表3。
表3改进后实验数据
升温a (mm)
降温a (mm)
经过对以上数据分析和处理得出&=(1.82&0.08)&10/℃，比较接近标准值，相对误差E=2.2%。无论是升温还是降温过程都反映出改进后的实验设备变灵敏了，实验结论误差降低了，改进的方法能够即时的反映金属材料的温度变化情况。
由上面的实验结果我们可以看出：经过我们对实验仪器结构的改进，实验的测量精度提高了不少。同时也给我们了启示：测量的温度是否能即时灵敏的反应被测金属的实际温度是核心问题，而使热敏电阻接近被测金属可以有效的解决这个问题。新方案可以在原有的实验设备基础上调整实现，不需要浪费太多的材料，以前已经废弃的设备改装以后还可以继续使用，节约了材料。
1 杨述武, 马葭生, 贾玉民, 等. 普通物理实验[M]. 北京:高等教育出版社. 218-222.
2 范利平. 采用千分表测定金属线胀系数[J]. 大学物理. ):61-62.
3 花世群. 光的干涉法测金属线胀系数[J]. 光学技术. ):383-384.
4 熊艳玲, 何丽娟, 陈春天. 测定金属线胀系数的一种新方法[J].哈尔滨师范大学自然科学报. ):46-48.
5 俞世刚, 潘日敏, 许富洋. 基于光纤传感技术的金属线胀系数非接触测量[J]. 传感器技术. ):66-67.
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热门：&&&&金属线膨胀系数的测量实验中仪器受热膨胀对实验结果有何影响？
全部答案（共1个回答）
读数时应该注意注意观察温度变化，注意控温（希望能帮到你，麻烦点击 “好评”，谢谢你^_^）
亲，光杠杆法优点：1.可以简单准确地将微小形变放大；2.测量,读数简单。
怎样提高光杠杆测量的灵敏度：增大标尺到光杠杆的距离可以提高光杠杆测量灵敏度。
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