選做-干涉法測(cè)量金屬的線(xiàn)膨脹系數(shù)

1、干涉法測(cè)量金屬的線(xiàn)膨脹系數(shù)固體的線(xiàn)膨脹是指固體受熱時(shí)在某一方向上的伸長(zhǎng)。這種特性是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械和儀表制造、材料加工中要考慮的重要 因素。在相同條件下，不同材料的固體線(xiàn)膨脹的程度不同。各種材料膨脹特性用線(xiàn)膨脹系數(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)線(xiàn)脹系數(shù)）來(lái)描述。線(xiàn)脹系數(shù)是選用材料的一項(xiàng)重要指標(biāo)，實(shí)際中經(jīng)常要對(duì)材料線(xiàn)脹系數(shù)做測(cè)定。對(duì)于金屬材料，溫度變化引起長(zhǎng)度的微小變化比較微小,一般采用光杠桿、光的衍射法等進(jìn)行精確測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)中利用干涉法測(cè)量金屬棒的熱膨脹系數(shù)。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?觀(guān)察物體線(xiàn)膨脹現(xiàn)象，學(xué)會(huì)測(cè)量金屬的線(xiàn)脹系數(shù).2掌握應(yīng)用邁氏干涉儀測(cè)量物體長(zhǎng)度微小變化的方法.二、實(shí)驗(yàn)儀器SGR1型熱膨脹實(shí)驗(yàn)裝置、游標(biāo)卡尺、銅棒

2、、鋁棒.三、工作原理在不太大的溫度變化范圍內(nèi)，原長(zhǎng)為l0的物體，受熱后其伸長(zhǎng)量與其原長(zhǎng)l0、溫度的增加量近似成正比，即 （1）式中的比例系數(shù) 即稱(chēng)為線(xiàn)脹系數(shù)，它表示當(dāng)溫度升高1時(shí)固體的相對(duì)伸長(zhǎng)量。由上式可得 （2）不同材料的線(xiàn)脹系數(shù)不同，塑料的線(xiàn)脹系數(shù)最大，金屬次之，石英玻璃線(xiàn)脹系數(shù)很小。線(xiàn)脹系數(shù)是選用材料的一項(xiàng)重要指標(biāo)。附表中列出幾種物質(zhì)的線(xiàn)脹系數(shù)值，對(duì)應(yīng)有一個(gè)溫度范圍。表1 幾種材料的線(xiàn)脹系數(shù)材 料銅鋁鉑普通玻璃石英玻璃瓷器17.123.89.19.50.53.44.1溫度范圍（）01002020020700實(shí)驗(yàn)指出，同一材料在不同的溫度區(qū)段，其線(xiàn)脹系數(shù)是不同的，但在溫度變化不大的范圍內(nèi)，

3、線(xiàn)膨脹系數(shù)近似是一個(gè)常量。線(xiàn)膨脹系數(shù)的測(cè)定是人們了解材料特性的一種重要手段。在本實(shí)驗(yàn)中我們用SGR-1型熱膨脹實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量金屬棒在2050范圍內(nèi)的線(xiàn)膨脹系數(shù)，其工作原理是基于光干涉法來(lái)進(jìn)行微小長(zhǎng)度量的測(cè)量，其光路圖見(jiàn)圖1所示。從He-Ne激光器出射的激光束經(jīng)過(guò)分束器（半反鏡）后分成兩束，分別由兩個(gè)反射鏡：定鏡和動(dòng)鏡反射回來(lái)，由于分束器的作用兩束反射光在觀(guān)察屏上會(huì)相遇并形成明暗相間的同心環(huán)狀干涉條紋。長(zhǎng)度為l0的待測(cè)固體試件被電熱爐加熱，當(dāng)溫度從t0上升至t時(shí)，試件因受熱膨脹，從l0伸長(zhǎng)到l，同時(shí)推動(dòng)邁克耳孫干涉儀的動(dòng)鏡，使干涉條紋發(fā)生N個(gè)環(huán)的變化，則l - l0 = l = N （3）圖1而線(xiàn)

4、膨脹系數(shù) （4）所以只要測(cè)出某一溫度范圍的固體試件的伸長(zhǎng)量和加熱前的長(zhǎng)度，就可以測(cè)出該固體材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)步驟1. 安放試件（1）用M4螺釘旋入試件一端的螺紋孔內(nèi)，從試件架上提拉出來(lái)，橫放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，再用卡尺測(cè)量并記錄試件初始長(zhǎng)度l0。（2）將電熱爐從儀器側(cè)面的臺(tái)板上平移取下，手提M4螺釘把試件送進(jìn)電熱爐（注意：試件的測(cè)溫孔與爐側(cè)面的圓孔一定要對(duì)準(zhǔn)）。（3）卸下M4螺絲，用平面鏡背面石英管一端的螺紋件將平面鏡與試件聯(lián)接起來(lái)（注意：用手稍微擰緊平面鏡后不可再用力，否則容易損壞平面鏡同螺紋之間的石英細(xì)管）。在爐體復(fù)位（從臺(tái)板開(kāi)口向里推到頭）后，務(wù)必將測(cè)溫探頭穿過(guò)爐壁插入試件下半截的測(cè)溫孔

5、內(nèi)，測(cè)溫器手柄，應(yīng)緊靠電熱爐的外殼（圖2）。爐體下部與側(cè)臺(tái)板之間，用兩個(gè)手鈕鎖緊。圖2電熱爐內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖2. 調(diào)節(jié)邁克耳孫干涉光路打開(kāi)裝置總電源，按“激光”開(kāi)關(guān)，撥開(kāi)擴(kuò)束器，調(diào)節(jié)M1和M2兩個(gè)平面鏡背后的螺絲，使觀(guān)察屏上的兩組光點(diǎn)中的兩個(gè)最強(qiáng)重合，然后把擴(kuò)束器轉(zhuǎn)到光路中，屏上即出現(xiàn)干涉條紋，這時(shí)微調(diào)平面鏡的方位，可將橢圓干涉環(huán)的環(huán)心調(diào)到視場(chǎng)的適中位置。對(duì)擴(kuò)束器作二維調(diào)節(jié)，可糾正觀(guān)察屏上光照的不均勻。3. 測(cè)量（1）測(cè)量鋁棒的線(xiàn)膨脹系數(shù) 測(cè)量前，先將溫控儀選擇開(kāi)關(guān)置于“設(shè)定”，轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)定旋鈕，直到顯示出預(yù)定溫度值。設(shè)定溫度后，將選擇開(kāi)關(guān)置于“測(cè)量”。按“加熱”鍵，觀(guān)察干涉圓環(huán)的變化，當(dāng)溫度顯示超過(guò)

6、室溫5后，記錄試件初始溫度t0，同時(shí)開(kāi)始仔細(xì)默數(shù)干涉環(huán)的變化個(gè)數(shù)。待達(dá)到預(yù)定數(shù)50環(huán)時(shí)，記錄此時(shí)的溫度顯示值t。測(cè)試完畢后，直接按“暫?！辨I，停止加熱。可根據(jù)公式（3）和（4）計(jì)算鋁棒的線(xiàn)脹系數(shù)。（2）測(cè)繪銅棒線(xiàn)膨脹與溫度變化關(guān)系曲線(xiàn) 更換試件。松開(kāi)加熱爐下部的手鈕，使?fàn)t體平移，離開(kāi)側(cè)臺(tái)板。旋下動(dòng)鏡拔下測(cè)溫頭，再換上螺絲提手從爐內(nèi)取出試件。待爐內(nèi)溫度降到最接近室溫的穩(wěn)定值，按步驟1要求安放待測(cè)試件，安妥后通常需要重新調(diào)節(jié)光路。按“加熱”鍵，觀(guān)察干涉圓環(huán)的變化，當(dāng)溫度顯示超過(guò)室溫3后，記錄試件初始溫度t0，同時(shí)開(kāi)始仔細(xì)默數(shù)干涉環(huán)的變化個(gè)數(shù)。每計(jì)數(shù)20個(gè)干涉環(huán)時(shí)，記錄此時(shí)的對(duì)應(yīng)的溫度顯示值t，共5

7、組100環(huán)。實(shí)驗(yàn)完畢，切斷加熱爐電源。以橫軸標(biāo)出銅棒溫度變化，以縱軸標(biāo)出線(xiàn)膨脹伸長(zhǎng)量，描點(diǎn)作圖。由圖解法求出鋁的線(xiàn)脹系數(shù)。五、數(shù)據(jù)記錄與處理1. 測(cè)量鋁棒的線(xiàn)脹系數(shù) 初始長(zhǎng)度l0鋁 = = 632.8 nm 表1試件品種溫度/干涉環(huán)變化數(shù)N試件伸長(zhǎng)量線(xiàn)膨脹系數(shù)（×10-6/）t0t硬鋁502. 測(cè)量銅棒線(xiàn)膨脹與溫度變化關(guān)系曲線(xiàn)初始長(zhǎng)度l0銅= = 632.8 nm表2干涉環(huán)變化數(shù)N020406080100溫度t /mm斜率K =線(xiàn)漲系數(shù) =六、注意事項(xiàng)（1）在平面鏡與銅螺絲之間粘接的石英細(xì)管質(zhì)脆易損，不能承受較大的扭力和拉力；爐底上的石英墊不能承受試件落體的沖擊；試樣入爐與出爐必須用

8、M4長(zhǎng)螺釘做輔助工具。（2）實(shí)驗(yàn)前不要按“加熱”開(kāi)關(guān)，以免為恢復(fù)加熱前溫度而延誤實(shí)驗(yàn)時(shí)間，或因短時(shí)間內(nèi)溫度忽升忽降而影響實(shí)驗(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)中，每次加熱前都需要靜置一段時(shí)間觀(guān)察溫度顯示，耐心等待試件入爐后的熱平衡狀態(tài)。（3）為了避免體溫傳熱對(duì)爐內(nèi)外熱平衡擾動(dòng)的影響，不要用手抓握待測(cè)試件。（4）本儀器宜在低照度實(shí)驗(yàn)室使用，室內(nèi)應(yīng)避免強(qiáng)烈的空氣流動(dòng)。地面和臺(tái)面不可有較強(qiáng)的震動(dòng)。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)保持安靜。（5）注意保護(hù)眼睛,不要正面直接注視激光光束。附錄SGR-1型熱膨脹實(shí)驗(yàn)裝置1.儀器外形見(jiàn)圖3。圖32. 主要技術(shù)指標(biāo)He-Ne激光器：功率約1 mW，波長(zhǎng)632.8 nm分束器光圈數(shù)：N = 2平面鏡光圈數(shù)：N = 2數(shù)字測(cè)溫最小分度：0.1試件品種：硬鋁（20起測(cè)）黃銅=20.6×10-6/（25300）鋼（20起測(cè)）試件尺寸：l = 150 mm，= 18 mm適宜升溫范圍：室溫60溫控儀工作環(huán)境：溫度050，濕度85%以下無(wú)腐蝕性氣體線(xiàn)膨脹裝置系統(tǒng)誤差：3 %耗電功率：約50 W重量（含附件）：17.25 kg3.數(shù)顯溫控儀數(shù)顯溫控儀的測(cè)溫探頭通過(guò)銅熱電阻，取得代表溫度信