对传统金属线胀系数测量实验仪器的改进

郑世燕

(泉州师范学院物理与信息工程学院，福建泉州 362000)

对传统金属线胀系数测量实验仪器的改进

郑世燕

(泉州师范学院物理与信息工程学院，福建泉州 362000)

结合教学实践，分析了传统金属线胀系数测量仪器存在的不足，提出改进方案，并付诸实践取得良好的效果.

金属线胀系数;实验仪器;改进;实验教学;热学实验

1 实验方法

金属线胀系数的测量是大学物理实验中的一个基础热学实验.目前我校实验室常用的方法是利用光杠杆和尺读望远镜进行测量.该方法所依据的函数关系式为

式中α为线胀系数，单位是℃－1;A1为温度t1℃时，通过望远镜和光杠杆的平面镜，刚好在望远镜中叉丝横线(或交点)处看见的直尺刻度;A2为温度升到t2℃时叉丝横线处看见的直尺刻度;d1为光杠杆后足尖到二前足尖连线的垂直距离;d2为光杠杆镜面到直尺的距离;L为物体在温度为t1℃时的长度［1］.

主要实验装置如图1所示.本实验的关键是利用光杠杆测量微小长度的变化，测量的精细程度由d1、d2的大小以及尺上读数(A1、A2)的精细程度决定.实验时将待测金属棒直立在立式线胀实验器的钢管中(如图2)，并将光杠杆的后足尖置于金属棒的上端，两前足尖置于立式线胀实验器可调高度平台上方的直凹槽中.

2 存在的问题及改进方法

从图1、图2可以看出，本实验所用器材较多且不乏易碎品，如光杠杆、蒸汽发生器、进汽管、出汽管及温度计等都是玻璃制品，学生在操作过程中，难免会摔坏一些仪器设备.这不仅会影响部分学生按时完成实验，而且会打乱实验整体进度，大大浪费人力及物力.

针对近几年我校物理实验中心热学实验项目“金属线胀系数的测量”接纳班级数越来越多的情况，实验仪器每年使用的时间相应地增加，不仅要保证学生按计划开出实验，培养他们的实验技能，而且要尽量降低仪器的损坏率.为缓解实验经费紧张的矛盾，节约经费开支，可以修旧利废，动手制作及改进一些实验仪器，保证和丰富教学仪器.现就笔者在实验教学过程中发现的一些问题及不足，提出一些改进方案并谈谈自己的看法.

2.1 光杠杆及立式线胀实验器可调高度平台的改进

光杠杆实际上是附有3个足尖的平面镜，3个足尖的边线为一等腰三角形，前两足刀口与平面镜在同一平面内(平面镜俯仰方位可调)，后足(倾斜度可调)在前两足刀口的中垂线上.立式线胀实验器可调高度平台上方是由一个可放置光杠杆前两足刀口的直凹槽(位置固定)及带有一圆缺口的平台组成.

(1)存在的不足.①光杠杆上的平面镜俯仰方位是通过旋转螺丝进行调节，如果固定螺丝稍有松动，平面镜就可能会落下而摔坏.②光杠杆后足尖倾斜度可调，但实验过程中又要求后足尖在前两足刀口的中垂线上，并严格与光杠杆的平面镜垂直，实验过程中，只能通过目测此垂直度，势必引入偶然误差，影响实验结果.

(2)改进方案.为减少平面镜落下而摔坏的可能，笔者认为完全可以订做光杠杆镜面固定并严格与三足尖平面垂直的光杠杆以及位置可调的直凹槽.如此便可保证光杠杆镜面严格与三足尖平面垂直，并且通过调节直凹槽位置保证光杠杆的三足尖处于规定的位置上.

2.2 进汽管与出汽管的改进

进汽管与出汽管均为玻璃引管，在实验过程中，进汽管与出汽管都安装在橡胶活塞上，由于活塞热胀冷缩的程度比玻璃的大，拆装进汽管或出汽管时，它们有可能受到挤压而压碎，或者不小心掉下，玻璃引管也容易破碎.因此建议把玻璃引管换成不易碎的不锈钢引管，这样在实验操作过程中就不会担心引管破碎，只要把所需引管的内外径及尺寸通知厂家订做，则可一劳永逸.

2.3 出口水回收的改进

实验中水蒸气直接通过出汽管流出，遇冷而凝结成水，而后直接蔓延至实验桌上，学生要及时用吸水抹布擦拭，否则不仅桌面上都是水，而且地板上也会处处有水.加上实验人员的走动，一组实验下来，整间实验室地面踩出一个个脏脚印，严重影响实验室整体清洁度.唯一的办法就是学生做完实验后留下打扫实验室，这样既浪费时间又影响实验进度.其实，只要在立式线胀实验器底座下方加一坚固的底盘，出汽管流出的水就直接流到底盘中，回收时直接把底盘取出倒掉废水即可，简洁干净又省时省力.

2.4 加热系统的改进

该实验加热系统为一内燃式的蒸汽发生器.当读出并记下初温度t1及该温度下直尺上的位置A1时，就应立即往蒸汽发生器中倒入自来水并给蒸汽发生器通电加热.实验时如果单纯地利用蒸汽发生器把自来水加热成水蒸气，此过程耗时较长.因此可以先把自来水烧开再倒入蒸汽发生器中加热，会节省很多实验时间.热学实验中的多个项目如测定冰的溶解热、水的汽化热等都需加热，所以建议购买烧水速度快的“随手泡”作为热学实验的必备仪器，而且尽可能多地应用于不同实验之中，充分提高了装置和实验器材的利用效率.这在当前实验教学中是一种有效且经济的办法，何乐而不为呢?

3 小结

近两年来，我校物理实验中心热学实验项目“金属线胀系数的测量”都由笔者执教.开始接手该实验时，笔者也是大量购买易碎的零部件，如今改进后，该实验每年需要添补仪器的也仅限于几根温度计而已.实践证明，大部分学生都能在规定的时间内按时完成实验项目，教学效果越来越好，既节约了资金，又保证了教学，还培养和锻炼了实验教师的技能.

［1］ 杨述武.普通物理实验:1力学、热学部分［M］.4版.北京:高等教育出版社，2007.

Improvement on Experiment Equipment of Measuring Metallic Linear Expansion Coefficient

ZHENG Shi-yan

(College of Physics and Information Engineering，Quanzhou Normal University，Quanzhou362000，China)

Combining teaching practice，analyzes shortcomings of traditional equipment of measuring metallic linear expansion coefficient，puts forward improvement scheme，and takes it into practice to obtain good results.

metallic linear expansion coefficient;experiment equipment;improvement;experiment teaching;thermology experiment

G642.423

A

1007－0834(2011)02－0051－02

10.3969/j.issn.1007－0834.2011.02.018

2011－02－14

福建省服务海西建设重点项目(A100);泉州师范学院重点学科建设经费资助项目

郑世燕(1979—)，女，福建仙游人，泉州师范学院物理与信息工程学院讲师.