簡易測量柔性材料線脹系數的方法

葉慧群

(浙江師范大學數理與信息工程學院,浙江金華321004)

簡易測量柔性材料線脹系數的方法

葉慧群

(浙江師范大學數理與信息工程學院,浙江金華321004)

介紹了一種簡易測定柔性材料線脹系數的實驗裝置和測量方法.利用原有FD-LE線膨脹系數測定儀,使用圓珠筆中的彈簧、筆芯和筆頭制作了材料和千分表的連接裝置,并利用改進后的儀器測量了幾種柔性材料的線脹系數.

柔性材料;線脹系數;儀器改進

1 引 言

金屬線脹系數的測量實驗是熱學實驗中的基礎實驗.常見的方法有利用光杠桿讀數法測量[2-3],光干涉法測量金屬的線脹系數[4-5],采用光纖傳感器測定金屬線脹系數[6],以及用千分表測量金屬線脹系數[7],等等,這些方法都能較好地測出相應的線脹系數.但這些方法所應用的傳統的實驗都是針對剛性材料,如銅棒、鐵棒、鋁棒等的線脹系數的測量,而對柔性材料的線脹系數的測量很少提及.王新興等提出了拉伸法測量金屬絲線脹系數的方法[8],該方法是光杠桿讀數法,增加移測顯微鏡和CCD成像系統,雖測量簡便,但成本較高.我們對實驗室現有的FD-L E線膨脹系數測定儀作了簡單改進,幾乎不需增加成本,實現了剛性材料和柔性材料的線脹系數的測定.

當前,實驗教學改革的方向是增加設計性、綜合性實驗,以更好地培養學生的動手能力,提高學生的科學素養.近年來,已有很多開設設計性、綜合性實驗的經驗介紹[9-12].利用本文介紹的方法改進FD-LE線膨脹系數測定儀,可以開設多個設計性、綜合性實驗.

2 實驗原理與實驗裝置

2.1 實驗原理

固體受熱后其長度的增加稱為線膨脹.在相同條件下,不同固體材料的線膨脹程度不同.用線膨脹系數α(簡稱線脹系數)來表示固體的這種材料特性,實驗表明,原長度為l的固體受熱后,其相對伸長量Δl/l正比于溫度的變化Δt,即:

設溫度在0℃,t1,t2時固體的長度分別為 l0,l1,l2,由式(1)可得

由(2)和(3)式解得l2-l1=l0α(t2-t1),所以

從以上測量原理可知,測量線脹系數的主要問題是如何測伸長量Δl.FD-LEA線膨脹系數測定儀是對固體線膨脹系數的一種直讀式測定儀,對物質的熱脹冷縮的特性可做出定量考查,并可對金屬的線膨脹系數做精確測量計算.物質在一定溫度范圍內,原長為l的物體受熱后伸長量Δl與其溫度的增加量Δt近似成正比,與原長 l也成正比,即:Δl=αlΔt.式中α為固體的線膨脹系數.

2.2 實驗裝置

上海復旦天欣科教儀器有限公司生產的FDLEA線膨脹系數測定儀如圖1所示,它是一種固體線膨脹系數的直讀式測定儀,可對金屬的線膨脹系數做精確測量計算,但被測物體要求加工成φ8×400 mm的圓棒,對于柔性材料無法進行測量,為此對FD-LEA線膨脹系數測定儀進行了改造,使之既可測量剛性材料線脹系數,又可測量柔性材料線脹系數.

剛性材料受熱伸縮后可直接推動千分表讀數改變,而柔性材料受熱伸縮卻無法直接推動千分表,故實驗裝置改進的關鍵是如何將柔性材料張緊并在受熱后能自由伸縮,把伸縮量反映到千分表讀數中.我們巧妙地利用了彈簧的彈性和墊片的作用,在材料與千分表銜接處設計制作了連接裝置,如圖2所示.該裝置是利用廢圓珠筆中的彈簧、筆芯和整個筆頭制作的,圖2中固定鉤是插入筆頭的鐵絲,用于固定測量材料,筆芯與千分表測量頭相接觸,圓錐形套筒是圓珠筆的筆頭套,圓形墊片固定在圓錐形套筒上,外徑大于導熱管口,內徑以能固定在圓錐形套筒上為準.

圖1 FD-LEA線膨脹系數測定儀

圖2 材料與千分表連接裝置

圖3是改進后的線膨脹系數測定儀示意圖,測量柔性材料時,把自制的連接裝置放入導熱均勻管的測量端口,筆芯與千分表相接觸,固定鉤與待測材料相連,由于導熱均勻管管口較大,很多的柔性材料寬度都比導熱均勻管管口小很多,所以在導熱管的另一端采用固定支架固定待測材料.

為了減小張力對測量的影響,測量時要注意:固定測量材料時,不能拉得過緊,只要拉直即可,盡量減小張力;測量溫度變化范圍不要太大,使隨溫度變化的彈性系數變化盡可能小.本實驗測量時溫度從32℃上升到66℃,溫度變化范圍很小,彈性系數幾乎不變,這樣張力對測量的影響很小,可以忽略.

圖3 改進后的線膨脹系數測定儀

3 實驗方法與實驗結果

3.1 實驗方法

待測材料分別是銅絲(直徑為0.2 mm)和Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B非晶納米晶金屬薄帶(寬度為4.5 cm).

實驗時,先將被測材料放入熱均勻管腔體內,一端與自制連接裝置相連,另一端用支架固定.再將千分表安裝在固定架上,再向前移動固定架,使千分表讀數值在0.2～0.4 mm處,固定架給予固定,然后稍用力壓千分表滑絡端,使它能與自制連接裝置的筆芯有良好的接觸,再轉動千分表圓盤讀數為零.

安裝完畢后,打開溫控儀電源,接通電加熱器,加熱溫度從32℃開始一直升溫到66℃,每隔2℃測量數據,記錄溫度和千分表的讀數,針對上述2種不同的柔性材料,通過式(4)分別計算各自線膨脹系數.

3.2 實驗結果

圖4是測量2種材料線脹系數的數據圖,圖中相對伸長量是以溫度為32℃時材料長度為基準的.由圖可知這2種材料的伸長量隨溫度上升基本線性增長.經簡單改進的線脹系數測定儀,可很方便用于測量柔性材料線脹系數的測量,達到預期效果.

表1為測量線脹系數時的部分數據,表1中l1是測量銅絲時千分表的讀數,Δl1是銅絲的隨溫度變化相對伸長量,l2是測量鐵基納米晶帶時的千分表的讀數,Δl2是鐵基納米晶帶隨溫度變化的相對伸長量.計算可得銅絲線脹系數α銅=(1.38×10-5) ℃-1,鐵基納米晶帶的線脹系數α鐵=(7.35×10-6)℃-1.

圖4 銅絲和鐵基納米晶帶線脹系數測量數據圖

表1 銅絲和鐵基納米晶帶線脹系數測量數據表

4 結束語

通過對線膨脹系數測定儀的簡單改進,使得FD-LE線膨脹系數測定儀,能夠測量柔性材料的線膨脹系數,增加了實驗儀器的使用功能,取得了較滿意的效果.雖然測量的實驗結果誤差要比測量剛性材料要大些,但足以滿足學生實驗訓練的要求.實驗證明,改進后的線膨脹系數測定儀,測量柔性材料操作方便,簡單有效.

[1]方允樟,吳鋒民,吳文慧,等.Fe基合金納米晶薄帶介觀結構的 AFM研究[J].科學通報,2004,48(18):1835-1839.

[2]宋維才.光杠桿法測固體線脹系數實驗的改進[J].唐山師范學院學報,2001,23(5):65-66.

[3]楊述武.普通物理實驗(一、力學及熱學部分)[M].北京:高等教育出版社,2000:218-222.

[4]陳淑清.利用光的干涉測金屬體線脹系數的方法[J].高師理科學刊,2003,23(1):18-19.

[5]王昆林,朱箭,劉子臣.激光干涉法測定固體線脹系數[J].實驗科學與技術,2004(1):14-15.

[6]崔惜琳.利用光纖傳感器測定金屬的線脹系數[J].物理實驗,2006,26(5):46-47.

[7]范利平.采用千分表測定金屬線脹系數[J].大學物理,2005,24(2):61-62.

[8]王新興,閆向洲.拉伸法測量金屬絲線脹系數的研究[J].河西學院報,2007,23(2):46-50.

[9]沈元華.設計性、研究性物理實驗介紹[J].物理實驗,2004,24(2):33-36.

[10]周進,于瑤,王思慧,等.學生主導型研究性物理實驗的探索[J].物理實驗,2005,25(1):28-33.

[11]馬世紅.設計性、研究性物理實驗的實踐情況[J].物理實驗,2004,24(11):28-33.

[12]熊永紅,任忠明,皮厚禮,等.工科物理實驗教學改革的實踐與探索[J].物理實驗,2005,25(2):28-30.

[責任編輯:郭 偉]

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

葉慧群(1972-),女,浙江金華人,浙江師范大學數理與信息工程學院實驗師,學士,從事物理實驗教學和研究工作.