简易测量柔性材料线胀系数的方法

叶慧群

(浙江师范大学数理与信息工程学院,浙江金华321004)

简易测量柔性材料线胀系数的方法

叶慧群

(浙江师范大学数理与信息工程学院,浙江金华321004)

介绍了一种简易测定柔性材料线胀系数的实验装置和测量方法.利用原有FD-LE线膨胀系数测定仪,使用圆珠笔中的弹簧、笔芯和笔头制作了材料和千分表的连接装置,并利用改进后的仪器测量了几种柔性材料的线胀系数.

柔性材料;线胀系数;仪器改进

1 引 言

金属线胀系数的测量实验是热学实验中的基础实验.常见的方法有利用光杠杆读数法测量[2-3],光干涉法测量金属的线胀系数[4-5],采用光纤传感器测定金属线胀系数[6],以及用千分表测量金属线胀系数[7],等等,这些方法都能较好地测出相应的线胀系数.但这些方法所应用的传统的实验都是针对刚性材料,如铜棒、铁棒、铝棒等的线胀系数的测量,而对柔性材料的线胀系数的测量很少提及.王新兴等提出了拉伸法测量金属丝线胀系数的方法[8],该方法是光杠杆读数法,增加移测显微镜和CCD成像系统,虽测量简便,但成本较高.我们对实验室现有的FD-L E线膨胀系数测定仪作了简单改进,几乎不需增加成本,实现了刚性材料和柔性材料的线胀系数的测定.

当前,实验教学改革的方向是增加设计性、综合性实验,以更好地培养学生的动手能力,提高学生的科学素养.近年来,已有很多开设设计性、综合性实验的经验介绍[9-12].利用本文介绍的方法改进FD-LE线膨胀系数测定仪,可以开设多个设计性、综合性实验.

2 实验原理与实验装置

2.1 实验原理

固体受热后其长度的增加称为线膨胀.在相同条件下,不同固体材料的线膨胀程度不同.用线膨胀系数α(简称线胀系数)来表示固体的这种材料特性,实验表明,原长度为l的固体受热后,其相对伸长量Δl/l正比于温度的变化Δt,即:

设温度在0℃,t1,t2时固体的长度分别为 l0,l1,l2,由式(1)可得

由(2)和(3)式解得l2-l1=l0α(t2-t1),所以

从以上测量原理可知,测量线胀系数的主要问题是如何测伸长量Δl.FD-LEA线膨胀系数测定仪是对固体线膨胀系数的一种直读式测定仪,对物质的热胀冷缩的特性可做出定量考查,并可对金属的线膨胀系数做精确测量计算.物质在一定温度范围内,原长为l的物体受热后伸长量Δl与其温度的增加量Δt近似成正比,与原长 l也成正比,即:Δl=αlΔt.式中α为固体的线膨胀系数.

2.2 实验装置

上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的FDLEA线膨胀系数测定仪如图1所示,它是一种固体线膨胀系数的直读式测定仪,可对金属的线膨胀系数做精确测量计算,但被测物体要求加工成φ8×400 mm的圆棒,对于柔性材料无法进行测量,为此对FD-LEA线膨胀系数测定仪进行了改造,使之既可测量刚性材料线胀系数,又可测量柔性材料线胀系数.

刚性材料受热伸缩后可直接推动千分表读数改变,而柔性材料受热伸缩却无法直接推动千分表,故实验装置改进的关键是如何将柔性材料张紧并在受热后能自由伸缩,把伸缩量反映到千分表读数中.我们巧妙地利用了弹簧的弹性和垫片的作用,在材料与千分表衔接处设计制作了连接装置,如图2所示.该装置是利用废圆珠笔中的弹簧、笔芯和整个笔头制作的,图2中固定钩是插入笔头的铁丝,用于固定测量材料,笔芯与千分表测量头相接触,圆锥形套筒是圆珠笔的笔头套,圆形垫片固定在圆锥形套筒上,外径大于导热管口,内径以能固定在圆锥形套筒上为准.

图1 FD-LEA线膨胀系数测定仪

图2 材料与千分表连接装置

图3是改进后的线膨胀系数测定仪示意图,测量柔性材料时,把自制的连接装置放入导热均匀管的测量端口,笔芯与千分表相接触,固定钩与待测材料相连,由于导热均匀管管口较大,很多的柔性材料宽度都比导热均匀管管口小很多,所以在导热管的另一端采用固定支架固定待测材料.

为了减小张力对测量的影响,测量时要注意:固定测量材料时,不能拉得过紧,只要拉直即可,尽量减小张力;测量温度变化范围不要太大,使随温度变化的弹性系数变化尽可能小.本实验测量时温度从32℃上升到66℃,温度变化范围很小,弹性系数几乎不变,这样张力对测量的影响很小,可以忽略.

图3 改进后的线膨胀系数测定仪

3 实验方法与实验结果

3.1 实验方法

待测材料分别是铜丝(直径为0.2 mm)和Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B非晶纳米晶金属薄带(宽度为4.5 cm).

实验时,先将被测材料放入热均匀管腔体内,一端与自制连接装置相连,另一端用支架固定.再将千分表安装在固定架上,再向前移动固定架,使千分表读数值在0.2～0.4 mm处,固定架给予固定,然后稍用力压千分表滑络端,使它能与自制连接装置的笔芯有良好的接触,再转动千分表圆盘读数为零.

安装完毕后,打开温控仪电源,接通电加热器,加热温度从32℃开始一直升温到66℃,每隔2℃测量数据,记录温度和千分表的读数,针对上述2种不同的柔性材料,通过式(4)分别计算各自线膨胀系数.

3.2 实验结果

图4是测量2种材料线胀系数的数据图,图中相对伸长量是以温度为32℃时材料长度为基准的.由图可知这2种材料的伸长量随温度上升基本线性增长.经简单改进的线胀系数测定仪,可很方便用于测量柔性材料线胀系数的测量,达到预期效果.

表1为测量线胀系数时的部分数据,表1中l1是测量铜丝时千分表的读数,Δl1是铜丝的随温度变化相对伸长量,l2是测量铁基纳米晶带时的千分表的读数,Δl2是铁基纳米晶带随温度变化的相对伸长量.计算可得铜丝线胀系数α铜=(1.38×10-5) ℃-1,铁基纳米晶带的线胀系数α铁=(7.35×10-6)℃-1.

图4 铜丝和铁基纳米晶带线胀系数测量数据图

表1 铜丝和铁基纳米晶带线胀系数测量数据表

4 结束语

通过对线膨胀系数测定仪的简单改进,使得FD-LE线膨胀系数测定仪,能够测量柔性材料的线膨胀系数,增加了实验仪器的使用功能,取得了较满意的效果.虽然测量的实验结果误差要比测量刚性材料要大些,但足以满足学生实验训练的要求.实验证明,改进后的线膨胀系数测定仪,测量柔性材料操作方便,简单有效.

[1]方允樟,吴锋民,吴文慧,等.Fe基合金纳米晶薄带介观结构的 AFM研究[J].科学通报,2004,48(18):1835-1839.

[2]宋维才.光杠杆法测固体线胀系数实验的改进[J].唐山师范学院学报,2001,23(5):65-66.

[3]杨述武.普通物理实验(一、力学及热学部分)[M].北京:高等教育出版社,2000:218-222.

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[5]王昆林,朱箭,刘子臣.激光干涉法测定固体线胀系数[J].实验科学与技术,2004(1):14-15.

[6]崔惜琳.利用光纤传感器测定金属的线胀系数[J].物理实验,2006,26(5):46-47.

[7]范利平.采用千分表测定金属线胀系数[J].大学物理,2005,24(2):61-62.

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[9]沈元华.设计性、研究性物理实验介绍[J].物理实验,2004,24(2):33-36.

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[12]熊永红,任忠明,皮厚礼,等.工科物理实验教学改革的实践与探索[J].物理实验,2005,25(2):28-30.

[责任编辑:郭 伟]

Measuring linear expansion coefficient of flexible materials

YE Hui-qun
(College of Mathematics,Physics and Information Engineering,Zhejiang Normal University,Jinhua 321004,China)

One kind of simp le measurement method and experiment device of measuring the linear expansion coefficient of flexiblematerialwas introduced.Together w ith the original FD-LE expansion coefficient measuring instrument,the sp ring,cartridge and nib in ball-point pen were used to connect the material and dial indicator.The linear expansion coefficients of several flexible materials were measured by the imp roved-above instrument.

flexible material;linear expansion coefficient;instrument imp rovement

O343

A

1005-4642(2011)04-0028-03

2010-09-08;修改日期:2010-12-07

叶慧群(1972-),女,浙江金华人,浙江师范大学数理与信息工程学院实验师,学士,从事物理实验教学和研究工作.