簡易測量柔性材料線脹系數(shù)的方法

葉慧群

(浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院,浙江金華321004)

簡易測量柔性材料線脹系數(shù)的方法

葉慧群

(浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院,浙江金華321004)

介紹了一種簡易測定柔性材料線脹系數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置和測量方法.利用原有FD-LE線膨脹系數(shù)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(jìn)后的儀器測量了幾種柔性材料的線脹系數(shù).

柔性材料;線脹系數(shù);儀器改進(jìn)

1 引 言

金屬線脹系數(shù)的測量實(shí)驗(yàn)是熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn).常見的方法有利用光杠桿讀數(shù)法測量[2-3],光干涉法測量金屬的線脹系數(shù)[4-5],采用光纖傳感器測定金屬線脹系數(shù)[6],以及用千分表測量金屬線脹系數(shù)[7],等等,這些方法都能較好地測出相應(yīng)的線脹系數(shù).但這些方法所應(yīng)用的傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)都是針對剛性材料,如銅棒、鐵棒、鋁棒等的線脹系數(shù)的測量,而對柔性材料的線脹系數(shù)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(shù)的方法[8],該方法是光杠桿讀數(shù)法,增加移測顯微鏡和CCD成像系統(tǒng),雖測量簡便,但成本較高.我們對實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的FD-L E線膨脹系數(shù)測定儀作了簡單改進(jìn),幾乎不需增加成本,實(shí)現(xiàn)了剛性材料和柔性材料的線脹系數(shù)的測定.

當(dāng)前,實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的方向是增加設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn),以更好地培養(yǎng)學(xué)生的動手能力,提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).近年來,已有很多開設(shè)設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)介紹[9-12].利用本文介紹的方法改進(jìn)FD-LE線膨脹系數(shù)測定儀,可以開設(shè)多個(gè)設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn).

2 實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)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(shù)α(簡稱線脹系數(shù))來表示固體的這種材料特性,實(shí)驗(yàn)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(shè)溫度在0℃,t1,t2時(shí)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(shù)的主要問題是如何測伸長量Δl.FD-LEA線膨脹系數(shù)測定儀是對固體線膨脹系數(shù)的一種直讀式測定儀,對物質(zhì)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(shù)做精確測量計(jì)算.物質(zhì)在一定溫度范圍內(nèi),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(shù).

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司生產(chǎn)的FDLEA線膨脹系數(shù)測定儀如圖1所示,它是一種固體線膨脹系數(shù)的直讀式測定儀,可對金屬的線膨脹系數(shù)做精確測量計(jì)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(jìn)行測量,為此對FD-LEA線膨脹系數(shù)測定儀進(jìn)行了改造,使之既可測量剛性材料線脹系數(shù),又可測量柔性材料線脹系數(shù).

剛性材料受熱伸縮后可直接推動千分表讀數(shù)改變,而柔性材料受熱伸縮卻無法直接推動千分表,故實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)的關(guān)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(shù)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(shè)計(jì)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(gè)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(dǎo)熱管口,內(nèi)徑以能固定在圓錐形套筒上為準(zhǔn).

圖1 FD-LEA線膨脹系數(shù)測定儀

圖2 材料與千分表連接裝置

圖3是改進(jìn)后的線膨脹系數(shù)測定儀示意圖,測量柔性材料時(shí),把自制的連接裝置放入導(dǎo)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(dǎo)熱均勻管管口較大,很多的柔性材料寬度都比導(dǎo)熱均勻管管口小很多,所以在導(dǎo)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(shí)要注意:固定測量材料時(shí),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(shù)變化盡可能小.本實(shí)驗(yàn)測量時(shí)溫度從32℃上升到66℃,溫度變化范圍很小,彈性系數(shù)幾乎不變,這樣張力對測量的影響很小,可以忽略.

圖3 改進(jìn)后的線膨脹系數(shù)測定儀

3 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)時(shí),先將被測材料放入熱均勻管腔體內(nèi),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(shù)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(luò)端,使它能與自制連接裝置的筆芯有良好的接觸,再轉(zhuǎn)動千分表圓盤讀數(shù)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(shù)據(jù),記錄溫度和千分表的讀數(shù),針對上述2種不同的柔性材料,通過式(4)分別計(jì)算各自線膨脹系數(shù).

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4是測量2種材料線脹系數(shù)的數(shù)據(jù)圖,圖中相對伸長量是以溫度為32℃時(shí)材料長度為基準(zhǔn)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(jīng)簡單改進(jìn)的線脹系數(shù)測定儀,可很方便用于測量柔性材料線脹系數(shù)的測量,達(dá)到預(yù)期效果.

表1為測量線脹系數(shù)時(shí)的部分?jǐn)?shù)據(jù),表1中l(wèi)1是測量銅絲時(shí)千分表的讀數(shù),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(shí)的千分表的讀數(shù),Δl2是鐵基納米晶帶隨溫度變化的相對伸長量.計(jì)算可得銅絲線脹系數(shù)α銅=(1.38×10-5) ℃-1,鐵基納米晶帶的線脹系數(shù)α鐵=(7.35×10-6)℃-1.

圖4 銅絲和鐵基納米晶帶線脹系數(shù)測量數(shù)據(jù)圖

表1 銅絲和鐵基納米晶帶線脹系數(shù)測量數(shù)據(jù)表

4 結(jié)束語

通過對線膨脹系數(shù)測定儀的簡單改進(jìn),使得FD-LE線膨脹系數(shù)測定儀,能夠測量柔性材料的線膨脹系數(shù),增加了實(shí)驗(yàn)儀器的使用功能,取得了較滿意的效果.雖然測量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差要比測量剛性材料要大些,但足以滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的要求.實(shí)驗(yàn)證明,改進(jìn)后的線膨脹系數(shù)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(jié)構(gòu)的 AFM研究[J].科學(xué)通報(bào),2004,48(18):1835-1839.

[2]宋維才.光杠桿法測固體線脹系數(shù)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].唐山師范學(xué)院學(xué)報(bào),2001,23(5):65-66.

[3]楊述武.普通物理實(shí)驗(yàn)(一、力學(xué)及熱學(xué)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(shù)的方法[J].高師理科學(xué)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(shù)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2004(1):14-15.

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

[7]范利平.采用千分表測定金屬線脹系數(shù)[J].大學(xué)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(shù)的研究[J].河西學(xué)院報(bào),2007,23(2):46-50.

[9]沈元華.設(shè)計(jì)性、研究性物理實(shí)驗(yàn)介紹[J].物理實(shí)驗(yàn),2004,24(2):33-36.

[10]周進(jìn),于瑤,王思慧,等.學(xué)生主導(dǎo)型研究性物理實(shí)驗(yàn)的探索[J].物理實(shí)驗(yàn),2005,25(1):28-33.

[11]馬世紅.設(shè)計(jì)性、研究性物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐情況[J].物理實(shí)驗(yàn),2004,24(11):28-33.

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

[責(zé)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(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師,學(xué)士,從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究工作.