測定空氣中的聲速.doc

第13頁實驗報告系別_班號_姓名_同組姓名_實驗日期 _ 教師評定 _【實驗名稱】用閃光法測不良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率【目的要求】1、測定不良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率2、了解一種測定材料熱物性參數(shù)的方法3、了解熱物性參數(shù)測量中的基本問題4、學(xué)習(xí)正確使用高壓脈沖光源和光路調(diào)節(jié)技術(shù)以及用微機控制實驗和采集處理數(shù)據(jù)【儀器用具】閃光法熱導(dǎo)儀（包括高壓脈沖氙燈和電源，光學(xué)調(diào)節(jié)系統(tǒng)），待測樣品（酚醛膠木板、大理石各一片），PN結(jié)溫度傳感器，放大電路，AD/DA卡，計算機及相關(guān)軟件【實驗原理】1、傅里葉導(dǎo)熱定律和熱導(dǎo)率熱傳導(dǎo)是指發(fā)生在固體內(nèi)部或靜止流體內(nèi)部的熱量交換過程。其微觀機制是由自由電子或晶格振動波作為載體進行熱量交換的過程。宏觀上是由于物體內(nèi)部存在溫度梯度，發(fā)生從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳輸能量的過程。傅里葉導(dǎo)熱定律：其中為熱流密度矢量，表示在單位等溫面上沿溫度降低方向單位時間內(nèi)傳遞的能量。是熱導(dǎo)率，是反映物質(zhì)導(dǎo)熱能力的重要物性參數(shù)，表示每單位時間內(nèi)，在每單位長度上溫度降低1K時，每單位面積上通過的熱量，單位為W/(mK)。2、材料熱導(dǎo)率的測量方法測固體材料熱導(dǎo)率的方法有兩大類，一類是穩(wěn)態(tài)法，另一類是非穩(wěn)態(tài)法。本次實驗采用閃光法，屬于非穩(wěn)態(tài)法。實驗中采用圓形薄試樣，一面用一個脈沖型熱源（氙燈）加熱，測量另一面溫度隨時間的變化關(guān)系，利用非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程，得到熱擴散率。熱導(dǎo)率和熱擴散率有如下關(guān)系：其中c為材料的比熱容，為材料的密度。實驗原理示意圖：假設(shè)脈沖光在t=0時刻垂直均勻照射在圓形薄試樣表面，且被試樣均勻吸收，在物體表面微小距離l內(nèi)，樣品溫升為：Q為單位面積吸收的熱量，L為樣品厚度（Ll）。當(dāng)忽略試樣的熱量損失和認(rèn)為側(cè)面絕熱時，有熱傳導(dǎo)方程：為試樣材料的熱擴散率。由邊界條件和初始條件得方程的解：在x=L處，溫升可以表示為：t=時，T(L,t)最大：。定義，則作圖，令V=1/2，則=1.38。將對應(yīng)時間記為t1/2，可得熱擴散率，進而有熱導(dǎo)率：3、測量過程滿足的條件試樣面積厚度，則側(cè)面散熱可以忽略，可視為一維熱流；試樣升溫小，則向環(huán)境散熱可以忽略不計；試樣材料均勻，各向同性；試樣一面受光輻射，在極薄層內(nèi)吸收并轉(zhuǎn)化為熱量；光輻射時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熱量在試樣中的傳播時間等?！緦嶒瀮?nèi)容及實驗數(shù)據(jù)處理】1、認(rèn)識和調(diào)節(jié)測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)分為光學(xué)系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。由橢球反光鏡反射高壓氙燈的閃光均勻照射到試樣表面，樣品背面的溫度傳感器將樣品的溫度變化信號通過AD/DA轉(zhuǎn)換卡傳送到計算機中，并由計算機軟件進行分析。本次實驗沒有涉及調(diào)節(jié)實驗裝置的內(nèi)容。2、測量待測樣品的溫升曲線每隔十分鐘測一次，每種樣品測三次，求t1/2的值，計算試樣材料的熱導(dǎo)率。實驗室給出數(shù)據(jù)：大理石樣品：h=L =2.99mm，d =13.76mm，c=0.71103W/(mK)膠木樣品：h=L =3.02mm，d =13.32mm，c=1.04103W/(mK)（1）大理石樣品：測量密度：次數(shù)長/mm寬/mm高/mm質(zhì)量/g1100.9250.1418.60287.112100.9050.0818.643100.8650.1018.604100.8250.0618.465100.8749.9618.506100.9450.0218.48處理后100.890.0350.060.0218.510.04287.11測量溫升曲線：次數(shù)T0Tm(T0+Tm)/2t1/2（2）膠木樣品：測量密度：次數(shù)l/mmd/mmh/mmm/g199.5099.383.0640.81299.4699.403.0640.81399.5299.423.0640.81平均值99.4999.403.0640.81測量溫升曲線：T0Tm(T0+Tm)/2t1/2未修正10.07360.41010.24186.620修正后10.07330.48870.28106.934修正后2-0.26530.1541-0.05567.001修正后3-0.38530.0299-0.17777.0513、手工散熱修正（1）取膠木樣品第2組數(shù)據(jù)作散熱修正計算機軟件（AD/DA轉(zhuǎn)換卡多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）處理修正值：-0.002949K/s在散熱降溫部分取點：t23.0025.8728.0630.0431.9134.0036.1938.0639.9341.58T0.08870.08400.07770.07070.06420.05690.05000.04340.03730.0317作線性擬合（MS Excel 2002）得：T=-0.0033t+0.1709，R=0.9996。則散熱修正采用公式：T=T+0.0033t修正后的溫升曲線：利用修正的溫升曲線得：t1/2=7.03s（2）取大理石樣品第1組數(shù)據(jù)作散熱修正計算機軟件（AD/DA轉(zhuǎn)換卡多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）處理修正值：-0.002085K/s在散熱降溫部分取點：t12.3015.0518.0221.2024.0626.9130.1032.9635.0438.12T0.27840.27260.26540.25890.25210.24700.23950.23310.22860.2213作線性擬合（MS Excel 2002）得：T=-0.0022t+0.3044，R=0.9997。則散熱修正采用公式：T=T+0.0022t修正后的溫升曲線：利用修正的溫升曲線得：t1/2=2.40s第17頁實驗報告系別_班號_姓名_同組姓名_實驗日期 _ 教師評定 _(2) 第二種方法:(3 ) 第三種方法:相對濕度 H=34% Pw=701.624mmHg室溫 T=18.0 oC Ps= 2063.6Pa大氣壓 P0=761.25mmHg 【實驗結(jié)果】1. 第一種方法測得： 337.403m/s 2. 第二種方法測得： 339.512m/s3. 第三種方法測得：342.6m/s】【分析與討論】誤差分析：1. 本次實驗裝置中發(fā)射裝置和接受裝置需要調(diào)節(jié)平行，但是卻缺乏判斷依據(jù)，因此很難保證二者的平行，所以實驗結(jié)果難免會受到影響，但是考慮到聲速很大，而兩者間距很小，所以這個誤差可以忽略不計。2. 在用示波器觀察波形，并且找到波形最大時刻時，沒有判斷依據(jù)，因此難免會將距離調(diào)過了頭，然后再調(diào)回來，因此不可避免的產(chǎn)生了螺距差，至使示數(shù)較大。但是由于每次測量幾乎都產(chǎn)生螺距差，因此對最后結(jié)果的影響也不大。3. 在觀察李薩如圖形時，剛開始經(jīng)驗不足，沒有將電平放大，圖形很小，很難看出斜率相等的時候，因此觀測難免不準(zhǔn)確，后來調(diào)大了電平，觀測比較清晰。因此如果電平較小的話，就容易造成測量不準(zhǔn)確。關(guān)于測量方法：觀察實驗結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)前兩種方法的結(jié)果比較接近, 第三種方法同他們差別較大. 因為他們的原理是不同的. 在第三種方法測定時, 溫度計和濕度計上的干燥溫度示數(shù)不同. 因此, 估計第三種方法的誤差, 來自溫度測量中。【選做實驗】測量水中聲速儀器和原理同上，采取第一種方法，測量數(shù)據(jù)：次數(shù)Xn（c