測(cè)定空氣中的聲速.doc

第13頁實(shí)驗(yàn)報(bào)告系別_班號(hào)_姓名_同組姓名_實(shí)驗(yàn)日期 _ 教師評(píng)定 _【實(shí)驗(yàn)名稱】用閃光法測(cè)不良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率【目的要求】1、測(cè)定不良導(dǎo)體的熱導(dǎo)率2、了解一種測(cè)定材料熱物性參數(shù)的方法3、了解熱物性參數(shù)測(cè)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(jī)控制實(shí)驗(yàn)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(cè)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(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件【實(shí)驗(yàn)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(jī)制是由自由電子或晶格振動(dòng)波作為載體進(jìn)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(shí)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(shí)間內(nèi)，在每單位長度上溫度降低1K時(shí)，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(cè)量方法測(cè)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(shí)驗(yàn)采用閃光法，屬于非穩(wěn)態(tài)法。實(shí)驗(yàn)中采用圓形薄試樣，一面用一個(gè)脈沖型熱源（氙燈）加熱，測(cè)量另一面溫度隨時(shí)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(kuò)散率。熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)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(shí)驗(yàn)原理示意圖：假設(shè)脈沖光在t=0時(shí)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(shí)，有熱傳導(dǎo)方程：為試樣材料的熱擴(kuò)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(shí)，T(L,t)最大：。定義，則作圖，令V=1/2，則=1.38。將對(duì)應(yīng)時(shí)間記為t1/2，可得熱擴(kuò)散率，進(jìn)而有熱導(dǎo)率：3、測(cè)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(jì)；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(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熱量在試樣中的傳播時(shí)間等?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理】1、認(rèn)識(shí)和調(diào)節(jié)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)分為光學(xué)系統(tǒng)、測(cè)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(hào)通過AD/DA轉(zhuǎn)換卡傳送到計(jì)算機(jī)中，并由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析。本次實(shí)驗(yàn)沒有涉及調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置的內(nèi)容。2、測(cè)量待測(cè)樣品的溫升曲線每隔十分鐘測(cè)一次，每種樣品測(cè)三次，求t1/2的值，計(jì)算試樣材料的熱導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)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(cè)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(cè)量溫升曲線：次數(shù)T0Tm(T0+Tm)/2t1/2（2）膠木樣品：測(cè)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(cè)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(jì)算機(jī)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(diǎn)：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(jì)算機(jī)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(diǎn)：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(shí)驗(yàn)報(bào)告系別_班號(hào)_姓名_同組姓名_實(shí)驗(yàn)日期 _ 教師評(píng)定 _(2) 第二種方法:(3 ) 第三種方法:相對(duì)濕度 H=34% Pw=701.624mmHg室溫 T=18.0 oC Ps= 2063.6Pa大氣壓 P0=761.25mmHg 【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】1. 第一種方法測(cè)得： 337.403m/s 2. 第二種方法測(cè)得： 339.512m/s3. 第三種方法測(cè)得：342.6m/s】【分析與討論】誤差分析：1. 本次實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果難免會(huì)受到影響，但是考慮到聲速很大，而兩者間距很小，所以這個(gè)誤差可以忽略不計(jì)。2. 在用示波器觀察波形，并且找到波形最大時(shí)刻時(shí)，沒有判斷依據(jù)，因此難免會(huì)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(cè)量幾乎都產(chǎn)生螺距差，因此對(duì)最后結(jié)果的影響也不大。3. 在觀察李薩如圖形時(shí)，剛開始經(jīng)驗(yàn)不足，沒有將電平放大，圖形很小，很難看出斜率相等的時(shí)候，因此觀測(cè)難免不準(zhǔn)確，后來調(diào)大了電平，觀測(cè)比較清晰。因此如果電平較小的話，就容易造成測(cè)量不準(zhǔn)確。關(guān)于測(cè)量方法：觀察實(shí)驗(yàn)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?yàn)樗麄兊脑硎遣煌? 在第三種方法測(cè)定時(shí), 溫度計(jì)和濕度計(jì)上的干燥溫度示數(shù)不同. 因此, 估計(jì)第三種方法的誤差, 來自溫度測(cè)量中?！具x做實(shí)驗(yàn)】測(cè)量水中聲速儀器和原理同上，采取第一種方法，測(cè)量數(shù)據(jù)：次數(shù)Xn（c