课 题 金属线膨胀实验
1．掌握应用迈氏干涉仪测量物体长度微小变化的方法；
教 学 目 的 2．观察物体线膨胀现象，并学会测量金属的线膨胀系数的方法。
重 难 点 1．线膨胀率的理解；
2．SGR—1型热膨胀实验装置的正确调节。
教 学 方 法 讲授、讨论、实验演示相结合。
学 时 3个学时
一、前言在工程计算、材料的焊接和加工过程中都必须对物体这种热胀冷缩的特性加以考虑，定量地分析它所引起的结构变化。各种材料的热膨胀系数，是定量分析热膨胀问题的依据，用实验方法测定热膨胀系数，则是最简便的途径。
二、实验仪器
SGR—1型热膨胀实验装置，
试件样品：
硬铝（LY12）α=22.7×10-6/ ℃,(20-100℃)?
黄铜（H62） α=20.6×10-6/ ℃,(25-300℃)
钢（45） α=11.59×10-6/ ℃,(20-100℃)
仪器原理图示于图1。
图（1）仪器原理图三、实验原理
一般情况下，固体受热后长度的增加称为线膨胀。实验证明，长度为L的固体受热膨胀后，其相对伸长量dL/L与温度变化dt成正比，写成等式为,
(1)
其中，比例系数 称为固体线膨胀系数。
假设当温度由 变至 时，长度由 变至,对（1）式积分，得
(2)
将（2）中 展开成级数，得
(3)
因为 α甚小，故上式二次项以后各项可略去，代回到（2）式，得
(4)
长度为L1的待测固体试件被电热炉加热，当温度从t1上升至t2时，试件因线膨胀，伸长到L2，同时推动迈克耳孙干涉仪的动镜，使干涉条纹发生N个环的变化，则：
L2- L1 = ΔL= N?λ/2
四、实验内容与步骤
（一）仪器介绍
图（2）数显温控仪面版图数显温控仪的测温探头通过铂热电阻，取得代表温度信号的阻值，经电桥放大器和非线性补偿器转换成与被测温度成正比的信号；而温度设定值使用“设定旋钮”（图2）调节，两个信号经选择开关和A/D转换器，可在数码管上分别显示测量温度和设定温度。仪器加热接近设定温度，通过继电器自动断开加热电路；在测量状态，显示当前探测到的温度。
图（3）电热炉内结构示意图
（二）?安放试件
先用M4长螺钉旋入试件一端的螺纹孔内，从试件架上提拉出来，横放在实验台上，再用卡尺测量并记录试件长度l0，将电热炉从仪器侧面的台板上平移取下，手提M4螺钉把试件送进电热炉（注意：试件的测温孔与炉侧面的圆孔一定要对准）。然后卸下螺丝，用平面镜背面石英管一端的螺纹件将平面镜与试件联接起来。在炉体复位（从台板开口向里推到头）后，务必将测温探头穿过炉壁插入试件下半截的测温孔内，测温器手柄，应紧靠电热炉的外壳。从炉内电阻丝引出的电缆插头应插入炉旁的插座上（图3）。炉体下部与侧台板之间，用两个手钮锁紧。
（三）调节迈克耳孙干涉光路
接好激光器的线路（正负不可颠倒），再接通仪器的总电源，按“激光”开关，拨开扩束器之后，调节M1和M2两个平面镜背后的螺丝，使观察屏上的两组光点中的两个最强的重合，然后把扩束器转到光路中，屏上即出现干涉条纹，这时微调平面镜的方位，可将椭圆干涉环的环心调到视场的适中位置。对扩束器作二维调节，可纠正观察屏上光照的不均匀。
（四）测量并记录数据
可以采用按升高一定的温度（例如10℃）测量试件伸长量的方法，也可以采用按试件一定的伸长量（例如由50或100个干涉环变化算出的光程差），测出所需升高温度的方法。测量前，先将温控仪选择开关置于“设定”，转动设定旋钮，直到显示出预定温度值。就黄铜H62和硬铝LY12而言，如果用第二种方法，每计数100个干涉环，在加热前温度基础上，温升应在10.5℃和9.5℃以内，对45号钢，每计数50个干涉环，温升应在9.4℃以内。此外，在准备自动控制加热温度时，还应考虑到，在测量范围内通常在比设定温度大约低2.8℃时，加热电路被切断。所以，可做如下估算：
设定温度=基础温度+温升+2.8℃
设定温度后，将选择开关置于“测量”，记录试件初始温度t1，认准干涉图样中心的形态，按“加热”键，同时仔细默数环的变化量。待达到预定数（例如50环或100环）时，记录温度显示值t2。当接近和达到设定温度时，红灯亮（绿灯闪灭），加热电路自动切断。一种样品测试完毕后，直接按“暂停”键，手控停止加热最便捷。当室温低于试件的线性变化温度范围时，可加热至所需温度，再开始实验测量。不用自动控制时，请将设定温度定在60℃以上。
（五）更换试件
松开加热炉下部的手钮，使炉体平移，离开侧台板。旋下动镜拔下测温头，再换上螺丝提手从炉内取出试件。用风冷法或其他方法，使炉内温度降到最接近室温的稳定值，确认后，按要求安放待测试件，安妥后通常需要重新调节光路。无论以前是自动还是手控切断加热电路，只要按一次“加热”键，即开始新一轮的加热过程。实验完毕，切断加热炉电源。
五、数据表格及数据处理
1．数据表格试件品种
温度t1
温度t2
干涉环变化数N
试件伸长量ΔL= N?(632.8/2)? nm
线膨胀系数α (×10-6/ ℃)
黄铜
硬铝
钢
六、注意事项
1、本仪器宜在低照度实验室使用，室内应避免强烈的空气流动。地面和台面不可有较强的震动。实验室应保持安静。
2、非必须时，实验前不要按“加热”开关，以免为恢复加热前温度而延误实验时间，或因短时间内温度忽升忽降而影响实验测量的准确度。实验中，每次加热前都需要静置一段时间观察温度显示，耐心等待试件入炉后的热平衡状态。
3、为了避免体温传热对炉内外热平衡扰动的影响，不要用手抓握待测试件。
4、在平面镜与铜螺丝之间粘接的石英细管质脆易损，不能承受较大的扭力和拉力；炉底上的石英垫不能承受试件落体的冲击；试样入炉与出炉必须用M4长螺钉做辅助工具。
5、使用He-Ne激光器做实验,须注意保护眼睛,不要正面直接注视激光光束或激光干涉图样,以免视网膜受到损伤。
七、教学后记
1．学生对实验中的迈克耳孙干涉仪原理不一定清楚，因此在讲解原理时要补讲。
2．少数同学实验前按“加热”开关，延误实验时间。
4．实验中要让学生在光路调节时多多练习。
1．掌握应用迈氏干涉仪测量物体长度微小变化的方法；
教 学 目 的 2．观察物体线膨胀现象，并学会测量金属的线膨胀系数的方法。
重 难 点 1．线膨胀率的理解；
2．SGR—1型热膨胀实验装置的正确调节。
教 学 方 法 讲授、讨论、实验演示相结合。
学 时 3个学时
一、前言在工程计算、材料的焊接和加工过程中都必须对物体这种热胀冷缩的特性加以考虑，定量地分析它所引起的结构变化。各种材料的热膨胀系数，是定量分析热膨胀问题的依据，用实验方法测定热膨胀系数，则是最简便的途径。
二、实验仪器
SGR—1型热膨胀实验装置，
试件样品：
硬铝（LY12）α=22.7×10-6/ ℃,(20-100℃)?
黄铜（H62） α=20.6×10-6/ ℃,(25-300℃)
钢（45） α=11.59×10-6/ ℃,(20-100℃)
仪器原理图示于图1。
图（1）仪器原理图三、实验原理
一般情况下，固体受热后长度的增加称为线膨胀。实验证明，长度为L的固体受热膨胀后，其相对伸长量dL/L与温度变化dt成正比，写成等式为,
(1)
其中，比例系数 称为固体线膨胀系数。
假设当温度由 变至 时，长度由 变至,对（1）式积分，得
(2)
将（2）中 展开成级数，得
(3)
因为 α甚小，故上式二次项以后各项可略去，代回到（2）式，得
(4)
长度为L1的待测固体试件被电热炉加热，当温度从t1上升至t2时，试件因线膨胀，伸长到L2，同时推动迈克耳孙干涉仪的动镜，使干涉条纹发生N个环的变化，则：
L2- L1 = ΔL= N?λ/2
四、实验内容与步骤
（一）仪器介绍
图（2）数显温控仪面版图数显温控仪的测温探头通过铂热电阻，取得代表温度信号的阻值，经电桥放大器和非线性补偿器转换成与被测温度成正比的信号；而温度设定值使用“设定旋钮”（图2）调节，两个信号经选择开关和A/D转换器，可在数码管上分别显示测量温度和设定温度。仪器加热接近设定温度，通过继电器自动断开加热电路；在测量状态，显示当前探测到的温度。
图（3）电热炉内结构示意图
（二）?安放试件
先用M4长螺钉旋入试件一端的螺纹孔内，从试件架上提拉出来，横放在实验台上，再用卡尺测量并记录试件长度l0，将电热炉从仪器侧面的台板上平移取下，手提M4螺钉把试件送进电热炉（注意：试件的测温孔与炉侧面的圆孔一定要对准）。然后卸下螺丝，用平面镜背面石英管一端的螺纹件将平面镜与试件联接起来。在炉体复位（从台板开口向里推到头）后，务必将测温探头穿过炉壁插入试件下半截的测温孔内，测温器手柄，应紧靠电热炉的外壳。从炉内电阻丝引出的电缆插头应插入炉旁的插座上（图3）。炉体下部与侧台板之间，用两个手钮锁紧。
（三）调节迈克耳孙干涉光路
接好激光器的线路（正负不可颠倒），再接通仪器的总电源，按“激光”开关，拨开扩束器之后，调节M1和M2两个平面镜背后的螺丝，使观察屏上的两组光点中的两个最强的重合，然后把扩束器转到光路中，屏上即出现干涉条纹，这时微调平面镜的方位，可将椭圆干涉环的环心调到视场的适中位置。对扩束器作二维调节，可纠正观察屏上光照的不均匀。
（四）测量并记录数据
可以采用按升高一定的温度（例如10℃）测量试件伸长量的方法，也可以采用按试件一定的伸长量（例如由50或100个干涉环变化算出的光程差），测出所需升高温度的方法。测量前，先将温控仪选择开关置于“设定”，转动设定旋钮，直到显示出预定温度值。就黄铜H62和硬铝LY12而言，如果用第二种方法，每计数100个干涉环，在加热前温度基础上，温升应在10.5℃和9.5℃以内，对45号钢，每计数50个干涉环，温升应在9.4℃以内。此外，在准备自动控制加热温度时，还应考虑到，在测量范围内通常在比设定温度大约低2.8℃时，加热电路被切断。所以，可做如下估算：
设定温度=基础温度+温升+2.8℃
设定温度后，将选择开关置于“测量”，记录试件初始温度t1，认准干涉图样中心的形态，按“加热”键，同时仔细默数环的变化量。待达到预定数（例如50环或100环）时，记录温度显示值t2。当接近和达到设定温度时，红灯亮（绿灯闪灭），加热电路自动切断。一种样品测试完毕后，直接按“暂停”键，手控停止加热最便捷。当室温低于试件的线性变化温度范围时，可加热至所需温度，再开始实验测量。不用自动控制时，请将设定温度定在60℃以上。
（五）更换试件
松开加热炉下部的手钮，使炉体平移，离开侧台板。旋下动镜拔下测温头，再换上螺丝提手从炉内取出试件。用风冷法或其他方法，使炉内温度降到最接近室温的稳定值，确认后，按要求安放待测试件，安妥后通常需要重新调节光路。无论以前是自动还是手控切断加热电路，只要按一次“加热”键，即开始新一轮的加热过程。实验完毕，切断加热炉电源。
五、数据表格及数据处理
1．数据表格试件品种
温度t1
温度t2
干涉环变化数N
试件伸长量ΔL= N?(632.8/2)? nm
线膨胀系数α (×10-6/ ℃)
黄铜
硬铝
钢
六、注意事项
1、本仪器宜在低照度实验室使用，室内应避免强烈的空气流动。地面和台面不可有较强的震动。实验室应保持安静。
2、非必须时，实验前不要按“加热”开关，以免为恢复加热前温度而延误实验时间，或因短时间内温度忽升忽降而影响实验测量的准确度。实验中，每次加热前都需要静置一段时间观察温度显示，耐心等待试件入炉后的热平衡状态。
3、为了避免体温传热对炉内外热平衡扰动的影响，不要用手抓握待测试件。
4、在平面镜与铜螺丝之间粘接的石英细管质脆易损，不能承受较大的扭力和拉力；炉底上的石英垫不能承受试件落体的冲击；试样入炉与出炉必须用M4长螺钉做辅助工具。
5、使用He-Ne激光器做实验,须注意保护眼睛,不要正面直接注视激光光束或激光干涉图样,以免视网膜受到损伤。
七、教学后记
1．学生对实验中的迈克耳孙干涉仪原理不一定清楚，因此在讲解原理时要补讲。
2．少数同学实验前按“加热”开关，延误实验时间。
4．实验中要让学生在光路调节时多多练习。
