干涉法测热膨胀系数

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1、干涉法测热膨胀系数实验目的】1、了解迈克尔逊干涉仪的基本原理。2、采用干涉法测量试件的线膨胀系数。实验原理】1、固体的线膨胀系数在一定温度范围内，原长为l (在t =or时的长度)的物体受热温度升高，一般固00体会由于原子的热运动加剧而发生膨胀，在t (单位。C)温度时，伸长量乩，它与温度的增加量At (t=t-1 )近似成正比，与原长L也成正比，即：00L= a x L xAt(1)0此时的总长是：L = L +AL(2)t0式中a为固体的线膨胀系数，它是固体材料的热学性质之一。在温度变化不大时，a 是一个常数，可由式(1)和(2)得L - L AL 1 a t o (3)L t L t00

2、由上式可见，a的物理意义：当温度每升高1C时，物体的伸长量AL与它在0C时 的长度之比。a是一个很小的量，附录中列有几种常见的固体材料的a值。当温度变化较 大时，a可用t的多项式来描叙：a =A+Bt+C t2+式中 A， B， C 为常数。在实际的测量当中，通常测得的是固体材料在室温ti下的长度Li及其在温度ti至12之间的伸长量，就可以得到热膨胀系数，这样得到的热膨胀系数是平均热膨胀系数a :4)L - LALa u 21 21_L V t 丿 L t t 丿1 2 1 1 2 1式中Li和L2分别为物体在ti和12下的长度, L2i = L2-Li是长度为的物体在温度从t升至t的伸长量。

3、在实验中我们需要直接测量的物理量是AL , L , t和t。1 2 21 1 1 22、干涉法测量线膨胀系数采用迈克尔逊干涉法测量试件的线膨胀系数如图1所示，根据迈克尔逊干涉原理可知, 长度为-的待测试件被温控炉加热，当温度从t1上升至t2时，试件因线膨胀推动迈克尔 逊干涉仪动镜（反射镜3）的位移量与干涉条纹变化的级数N成正比，即：AL = NI式中入为激光的光波波长。 将式（5）带入式（4）得：九N-a =2(6)L t 丿1 2 1【主要技术参数】1、He-Ne激光器：功率约1 mW,波长632.8 nm （可选）;半导体激光器：功率约1.5mW，波长650nm（可选）；2、温控仪适宜升温

4、范围：室温-60C，测温最小分辨率0.1C；3、试件品种：硬铝（20C起测），黄铜（H62） a=2O.8XlO-0C（25C300C）,钢（20 C起测）；4、试件尺寸：L= 150 mm 二 18 mm；5、线膨胀装置系统误差：V3 %。【实验仪器】图2热膨胀实验仪汕鞘H立陶it CT苗加E12网盘M11血監H注1. 温控表：温度设定与控制；2. 启/停：开启或停止智能控温;3. 电源总开关；图3仪器正视面板图AT? HA4. 半导体激光电源，5V输出（仅半导体激光器型）；5. 市电AC220V输入；图4仪器右侧面板图6. PT100测温传感器接口;7、加热炉控制电源输出；图5仪器右侧面板

5、图【实验步骤】1. 待测试件的放置首先，将待测试件从试件盒中取出（可用M4螺钉旋入试件一端的螺纹孔内，将试件 提拉出来），再用游标卡尺测量并记录试件长度L。移开反射镜2,手提M4螺钉把试件放 入电热炉（确保试件的测温孔与炉侧面的测温探头插入圆孔对准；注意轻放，禁止将样品 直接掉进加热炉，以免砸碎试件底端的石英玻璃垫）。然后拧下螺钉，将带螺纹的反射镜3 与试件连接起来（不可拧的过紧以免石英玻璃破碎）。当要更换试件时，需先拧下反射镜3, 用辅助的M4螺钉取出试件。将测温PT1OO探头，通过加热炉侧面圆孔插入试件测温孔内；传感器插座与仪器后面 板上的“PT1OO”插座对应相连；加热炉控制电源与仪器后

6、面板上的“加热炉电源输出” 相连。最后，重新放置好反射镜2。2. 光路调节接通电源，点亮氦氖激光器；若使用的是半导体激光器，可以将半导体激光器与仪器 右侧的5V激光电源相连，开启仪器电源开关即可。先移开扩束镜，调节激光器出射光、 反射镜1、反射镜2和分束镜，使毛玻璃瓶上两组光点中两个最强点重合。接着，将扩束 镜放置到光路中，若采用半导体激光器作为光源，可以通过扩束镜调节架放置并调节扩束 镜的位置；若采用氦氖激光器，则需要将带有磁性的扩束镜架放置在激光器出光口上；仔 细调节，毛玻璃屏上将出现干涉条纹，通过微调反射镜1和反射镜2,可将干涉环调节到 毛玻璃屏中便于观察的位置。3. 实验测试实验方法：

7、可以采用按试件一定的伸长量（例如50或100个干涉环变化对应的光程 差），测出试件温度的变化量；也可以采用按升高一定的温度（例如5C或10C ）测量试 件伸长量的方法；从而根据测得的数据，计算试件的线胀系数。测量前，先设定温控表所需达到的温度值。可以把设定值设置到比室温高15-25C左 右，然后按下“启/停”开始给试件加热。认准干涉图样中心的形态，记录试件初始温度 J同时仔细默数环的变化量（可以观测到几个均匀变化的干涉环后再开始记录数据）。待 达到预定数（例如50环或100环）时，记录温度显示值t2。由于温度控制器是调差控制 器，达到温度控制点时会有反复，所以需避开智能调整温度范围，防止干涉环

8、时而涌出时 而缩进，不便于计数。样品测试完毕后，若没有达到设置温度，可以直接按“启/停”键， 停止加热，并将温控表的设定温度值调节到室温以下，对加热炉进行冷却。若室温低于试件的线性变化温度范围时，可加热至所需温度后再开始实验测量。 测量不同试件的数据，填入表1。实验完毕后，将温控表设定温度设置在室温以下， 完毕电源。表1测试数据表试件名称试件长度 L （mm）温度C干涉环 变化数N试件伸长量九AL = N （nm）线胀系数a (X10-6/C)tit2硬铝黄铜钢【注意事项】1、反射镜3 （动镜）上粘结的石英玻璃管不能承受较大的扭力和拉力。2、加热炉中，试件底部的石英垫不能承受较大冲击，务必轻拿

9、轻放试件3、加热炉温度不可设置太高，以免冷却时间过长。4、眼睛不可直视激光束。5、反射镜和分束镜均为易碎器件，注意安全。6、保证实验环境的安静。【实验举例】(数据仅供参考)1.实验条件：室温23.1C，氦氖激光器波长632.8nm，温控器设置温度为38C，待干涉环稳定变化后开始计数。试件名称试件长度 L (mm)温度。C干涉环 变化数N试件伸长量九 AL = N (nm)线胀系数a (X10-6/C)t1t2黄铜H6215024.529.5501582021.0915029.534.4501582021.52平均值21.30参考值20.8误差2.4%2.实验条件：室温23.5C，氦氖激光器波长

10、632.8nm，温控器设置温度为42C，待干涉 环稳定变化后开始计数。试件名称试件长度 L (mm)温度。C干涉环 变化数N试件伸长量九AL = N 2(nm)线胀系数a (X10-6/C)t1t2硬铝1503034.5501582023.441503337.3501582024.52平均值23.98参考值23.6误差1.6%附录1智能双数显温度调节仪使用说明书仪表揀作说明:正确接线上电开机倉蠶翼或氏或早囂*仪表处于 正常控制IU i日日日日藹日日日日按WET锯0.5杪1SV按SET键5杪进入.第二设定区仪表址于主控设定狀 态1 BBBB按EET键0. 5秒修正误差狀态5匚修正值卄按SET键D

11、.5秒上限锁 设定状态50HI按5ET键Di去抄此时无论挣留在何种状态当ATM）时）*按吕ET键超过5 秒忡*将退出设定狀态。进入正常控制状态。 在第二班定状态*当AT=Jfrj,按SET键时何趙过5 秒，系统将退出设定状态并自动进入自整定寻 优狀酿 柜设定猥态设達完成后=如不按SET键5秒钟退 出 定：注：在第二设定状态所有总数设置完成后,騎爲麟韶漏踽退出设比樹带 膛定状态P（:比例带）比恻范團卄按SET键6 3杪积分时间设定狀态积分时间値按SET键D. 5秒 当你为防止别人修改祢的參數时.可在第二设 定狀态把值没定为陀.微分叶间设定狀态徴分时间值*仗表功能锻说明； SEDf流穆控制键毛犍：设宦位移位锥A锯；设罡数字递增键诲：谡定数字递减键此时按：血设定窗口显示01丧示ATjt许设定窗口昴示00表示关闭AT输出开关 周期设定 状态（周期）周期大小）“按SET键65秒ATR厂状态谀定捲SET毬小抄参数允许LDy换设定状态觀数伏裔I拽SET谨D. 5秋按EET健（15秒00：所有莠数礪改都允许-01：只有主控参救允许修改02:所有参数储改禁止