实验六 测量金属的线胀系数.doc

普通物理实验普通物理实验南阳师范学院物理与电子工程学院南阳师范学院物理与电子工程学院1前前 言言普通物理实验是物理学专业的必修课，它的内容包括热学和光学实验。在本讲义中，热学部分共列出 6 个实验，光学部分共列出 7 个实验。其中实验一、实验二、实验三、实验四由王宗昌编写，实验五、实验六由郑长波编写，实验八、实验九、实验十一由宋金璠编写，实验七、实验十、实验十二、实验十三由仲志国编写，本讲义由张萍统稿并定稿，并感谢尹中文对编写本讲义过程中所提供的帮助。本讲义在编写过程中，参考了许多其他高等师范院校的实验教材，但由于编者水平和能力有限，讲义中难免有不妥之处，恳请读者批评指正。编者2006 年 8 月2目目 录录实验一 金属比热的测定3 实验二 金属线胀系数的测定7实验三 冰的熔解热的测定14实验四 液体表面张力系数的测定拉脱法18实验五 良导体导热系数的测定21实验六 不良导体导热系数的测定25实验七 薄透镜成像性质研究及透镜焦距的测定28实验八 分光计的调整及折射率的测定36实验九 等厚干涉现象的研究49实验十 迈克尔逊干涉仪的调整和使用54实验十一 用透射光栅测光波波长及角色散率59实验十二 狭缝衍射的研究65实验十三 全息照相793实验一实验一 金属比热的测定金属比热的测定实验目的实验目的1掌握基本的量热方法混合法。2测定金属的比热。3学习热学实验中散热带来的误差的修正方法。实验仪器实验仪器量热器、物理天平、温度计、加热器、待测金属块。主要仪器介绍主要仪器介绍量热器如图 1 所示。量热器的内外筒由金属制成（一般为铜制或铝制） 。内外筒之间有空气层并用绝热架隔开，外筒用绝热盖盖着，内筒内有金属制的搅拌器，搅拌器的手柄上加绝热套。同时内筒的外壁、外筒的内壁电镀得十分光亮，使得它们发射或吸收辐射热的本领变得很小，这样实验系统可粗略地认为是个孤立的实验系统。 实验原理实验原理温度不同的物体混合后，热量将由高温物体传递给低温物体，如果在混合过程中系统和外界没有热交换，最后将达到均匀稳定的平衡温度，在这个过程中，高温物体所放出的热量等于低温物体所吸收的热量。此即热平衡原理。将质量为 m、温度为 t1的金属块投入量热器的水中，设量热器（包括搅拌器和温度计插入水中部分）的热容为 q，其中水的质量为 m0，比热为 c0，待测金属块投入水中之前水和量热器的温度为 t2，在待测金属块投入水中之后，系统达到平衡状态，此时混合温度为 t，设待测金属块的比热为 c，则在忽略量热器与外界热交换的情况下，将存在下述关系：（1）)()(2001ttqcmttmc图 11.量热器内筒 2.量热器外筒 3.绝热架 4.绝热盖 5.搅拌器 6.绝热套 7.温度计 8.橡皮塞4所以)()(1200 ttmttqcmc（2）量热器的热容 q 可以根据其质量和比热算出，设量热器内筒和搅拌器由同一物质制成，其质量为 m1、比热为 c1，温度计插入水中部分的体积为 v(单位为 cm3)，则q = m1c1+1.9v (J/0C) （3）上述讨论是在假定实验系统与外界没有热交换的情况下得出的结论。实际上只要有温度差异就必然会有热交换，因此，必须考虑如何防止或进行修正热散失的影响。在本实验中由于测量的是导热良好的金属，从投入物体到系统达到平衡状态所需时间较短，可以采用热量出入相互抵消的方法消除散热的影响。即控制量热器和水的初温 t2，使 t2低于环境温度 ，混合后的平均温度 t 则高于环境温度 。当系统温度低于 时，系统从外界吸热；当系统温度高于 时，系统向外界散热。如能使，则可做到系统和外界的热交换大致相抵消。若实验中未能做)()(2tt到使，可以用下述方法对系统的温度进行修正。)()(2tt这种修正系统温度的方法，要点是假定过程在无限短的时间内完成（即系统来不及与外界进行热交换） ，作出过程的时间-温度曲线，利用外推法得到系统的理想初温和终温。图 2 是实验中系统的温度时间曲线，其中，AB、BC、CD 三段分别是过程进行前、进行中和进行后的温度时间关系。过曲线上某点 G 作时间轴的垂线 EF（使 G 点对应的温度为 ） ，延长 AB 和 DC，分别交 EF 于 E 和 F 二点。由于 BEG 的面积 SA和 CFG 的面积SB分别与系统吸收和散失的热量成正比。E、F 二点对应的温度 t2/和 t/就分别是在理想情况下系统的初温和终温。于是（2）式修正为： 5（4） )()(/ 1/ 2/ 00 ttmttqcmc实验步骤实验步骤1.用天平称出量热器内筒和搅拌器的质量。若它们是同一种材料制成，就1m可以放在一起称量。否则要分别称量。称量时，要取下搅拌器上的绝热套。2.用天平称出待测金属块的质量 m，用细线把金属块栓住。3.在量热器内筒内放入低于室温约 30C 的适量的水，不停地轻轻搅拌水，每半分钟测水温一次，测 5 分钟。4.在第 5 分钟末，迅速地将 t1 =1000C 的金属块投入量热器内筒中，立即盖好外筒绝热盖，轻轻搅拌水，并观察水温变化情况。可以看到：水温迅速升到最高然后又慢慢下降（当t 时） 。记下最高温度t和相应的时刻,然后再测量温度t5 分钟。5.用另一支温度计测量室温，最好能在投放金属块之前和测温结束后各测量一次，求其平均值。6.用天平称出量热器、搅拌器、金属块和水的总质量，算出水的质量 m.7.测量温度计浸入水中的体积 v.8.如果（ - t2）和（t - ）不能大致相等，则需画出时间-温度曲线，修正系统的初温和终温。9.计算被测金属的比热容，并计算误差。实验数据表实验数据表 表 1内筒搅拌器质量m1= g待测金属块质量m= g室温 1= 0C冷水质量m0= g温度计浸没的体积v= cm3室温 2= 0C表 2时间12345678910111213图26（分）水温（0C）注意事项注意事项1量热器中温度计的位置要适当，不要使它太靠近被测金属块。因未混合的系统，局部温度可能很高。2将金属块从沸水中移入量热器时，动作要迅速准确，并注意尽量减少带进来的热水。3搅拌要均匀、轻柔、不停地进行。4测温时两眼要平视，以避免视差。预习思考题预习思考题1 实验系统由哪几部分组成？2 混合法的原理是什么？本实验中是如何保证实验条件成立的？3 本实验是如何进行散热修正的？复习思考题复习思考题1.根据误差理论，分析产生误差的原因及减少误差的方法。2如果量热器内筒和搅拌器的材料未知，你能用实验手段测出它们的热容量吗？是否可以连同温度计的热容量一同测出？3. 实验方案的选择是唯一的吗？若不是，试写出其它实验方案。78实验二实验二 金属线胀系数金属线胀系数的测定的测定材料的线膨胀是材料受热膨胀时，在一维方向的伸长。线胀系数是选用材料的一项重要指标，特别是研制新材料时，对材料的线胀系数测定是一个重要内容。本实验用光杠杆放大法对金属的线胀系数进行测定，从实验中还可学习如何分析影响测量精度的诸因素。实验目的实验目的1.学习用光杠杆法测金属线胀系数的原理。2.进一步掌握调整光杠杆和望远镜的基本要领。3.学习游标卡尺测长度的方法。实验原理实验原理固体受热后其长度的增加称为线膨胀。在一定的温度范围内，原长为 L 的物体，受热后其伸长量与 L 成正比，与温度的增加量近似成正比，即Lt（1）tLL式中的比例系数 称为固体的线膨胀系数（简称线胀系数） 。实验表明，一般来说塑料的线胀系数最大，金属次之，因瓦合金、熔凝石英的线胀系数很小。因此，因瓦合金和石英的这一特性在精密测量仪器中有较多的应用。几种材料的线胀系数见下表。材料铜、铁、铝普通玻璃、陶瓷因瓦合金熔凝石英 的数量级（1）约 105约 1062×106约 107实验还发现，同一材料在不同温度区域，其线胀系数不一定相同。某些合金在金相组织发生变化的温度附近，同时会出现线胀量的突变。因此测定线胀系数是了解材料特性的一种手段。但是，在温度变化不大的范围内，线胀系数仍可认为是一常量。为测量线胀系数，常常将材料做成条状或杆状，本实验就是测定金属管的线胀系数。由（1）式可知，若测量出温度为 t1时的管长 L、受热后温度达到 t2时管的伸长量和受热前后的温度 t1、t2，则线胀系数可写为L9（2）)(12ttLL 线胀系数 的物理意义是：固体材料在温度（t1，t2）区域内，温度每升高 1时材料的相对伸长量，单位为-1。线胀系数测量中的主要问题是如何测微小伸长量，本实验用光杠杆放大法L进行测量。光杠杆测微小伸长量原理见（实验二） 。由关系式可得 nRbL2（3）RnnbL2)(12这里 2R/b 是光杠杆的放大倍数。把（3）式代入到（2）得（4）)(2)(1212 ttLRnnb 式中 L 是待测金属杆的长度，R 是光杠杆平面反射镜到望远镜标尺的距离，b是光杠杆的臂长，n1 、n2是对应 t1、t2时标尺的像的读数。 （4）式是本实验所依据的公式。实验仪器实验仪器线胀系数测定仪，光杠杆，望远镜及标尺，数字温度计，钢卷尺，钢直尺，游标卡尺，待测金属管等。图 1 测定线胀系数的实验装置（接数字温度计）棒测探 待测金属管101.线胀系数测定仪的实验装置如图 1 所示，它由底座、外筒、支杆、放置光杠杆的平台和给被测金属管加热的加热管组成。支杆、平台与底座牢固地连接在一起。待测金属管中放置与数字温度计相连的探测棒。2.游标卡尺游标卡尺是比钢尺更精密的测量长度的工具，它的精度比钢尺高出一个数量级。游标卡尺的结构如图 2 所示。图 2 游标卡尺主尺 D 是钢制的毫米分度尺，主尺上附有外量爪 A 和内量爪 B，游标上有相应的外量爪 A和内量爪 B以及深度尺 C，游标紧贴主尺滑动，F 是固定游标的螺钉。 游标卡尺可用来测量物体的长度和槽的深度及圆环的内外径等。（1）游标原理。游标卡尺的特点是让游标上的 n 个分格的总长与主尺上(n-1)个分格的总长相等。设主尺上的分度值为 a，游标上的分度值为 b，则有annb) 1( 主尺上 1 个分格与游标上 1 个分格的差值是naba这里 a/n 就是游标卡尺的最小分度值。以 10 分度的游标卡尺为例。当它的量爪 A、A合拢时，游标的零刻线与主尺的零刻线刚好对齐，游标上第 10 个分格的刻线正好对准主尺上第 9 个分格的刻线，如图 3 所示。 则游标的 10 个分格的长度等于主尺上 9 个分格的长度，而主尺的分度值为 a = 1mm,那么游标上的分度值为 b = (9/10)mm.则其最小分度值为 a/n = (1/10)mm = 0.1mm.11图 3 10 分度游标原理 图 4 20 分度游标原理若是 20 分度的游标卡尺，则游标上的 20 个分格的长度正好等于主尺上 19 个分格的长度，如图 4 所示。那么，a = 1mm, b = (19/20)mm = 0.95mm，则此游标卡尺的最小分度值为 0.05mm。同理对 50 分度的游标卡尺，a = 1mm，b =（49/50）mm = 0.98mm,那么其最小分度值为 0.02mm。（2）游标卡尺的读数要点。测量时，主尺上的读数以游标的零刻线为准，先从主尺上读毫米以上的整数值。毫米以下从游标上读出，若游标上第 n 条刻线正好与主尺上某 一刻线对齐，则读：n 乘以最小分度值。图 5 所示 20 分度的游标卡尺，其游标上第 7 条刻线正好与主尺上的某一刻度线对齐，毫米以下的读数为7×0.05 mm = 0.35mm，则最后读数为 42.35mm。图 6 所示的游标上的第 2 条刻线与主尺上的刻线对齐，毫米以下的读数 为 2 × 0.05 = 0.10mm，则最后读数为37.10mm。图 520 分度游标读数：42.35mm 图 620 分度游标读数：37.10mm游标卡尺使用的注意事项游标卡尺使用的注意事项：（1）用游标卡尺测量前，应先检查零点。即合拢量爪，检查游标零线和主尺12零线是否对齐，如零线未对齐，应记下零点读数，加以修正。（2）不允许在卡紧的状态下移动卡尺或挪动被测物，也不能测量表面粗糙的物体。一旦量爪磨损，游标卡尺就不能作为精密量具使用了。（3）用完卡尺应放回盒内，不得乱丢乱放。实验内容和步骤实验内容和步骤1.仪器的安装和调整（1）用钢尺测量待测金属管的长度 L 后，将其轻轻插入线胀系数测定仪的加热管中，使其与底座紧密相接，上端露出少许在筒外。（2）将探测棒（与数字温度计相连）插入金属管内（此时切记要小心，不要弄断电路） ，并连接电路（但不通电） 。（3）将光杠杆的两前足放在平台的槽中，后足立于金属管的顶端，并使三足尖在一水平面上。望远镜及标尺放在光杠杆前约 1.5m 处，望远镜筒与光杠杆等高。粗调光杠杆平面镜使法线大致与望远镜同轴，且平行于水平底座。（4）细调光杠杆系统的光路。先用眼睛在望远镜筒外找到平面镜中标尺的像；然后缓缓地变动平面镜法线方向，使眼睛观察像的方位逐渐与望远镜的方位一致；这时再从望远镜内观察标尺的像，并稍作调整使观察到的像为望远镜附近的标尺刻度的像。（5）调节望远镜。调节目镜看清十字叉丝；调节调焦手轮，使标尺成像清晰且与叉丝无视差。2.测量数据（1）记下初温 t1，读出望远镜中十字叉丝处标尺像的刻线数值 n1，然后通电给金属管加热。（2）加热过程中温度每增加 10时记录一次温度值 t1，并同时读出望远镜中十字叉丝处标尺像的刻线数值 n1，记录在数据表格中。当温度升高到 90以上后停止加热，并记下最后的数值 tm和 nm.（3）测量光杠杆常数 b 和光杠杆平面镜到标尺的距离 R.注意事项注意事项（1） 线胀系数测定仪中的外筒及加热管不要固定太紧，因为在加热过程中它也会伸长，从而使支杆变形影响放置光杠杆平台的水平。13（2） 实验过程中所有仪器不能稍有碰动，否则将前功尽弃！数据处理数据处理1. 测量 n1的数据表格及计算不确定度 、. 12nnU12ttU序号123456789温度 t/ oC标尺读数mm/in开始加热时的温度为，温度升到最高温度时的温度取为（4）式中的，1tmt2t相应有 、。由于是单次测量，不确定度由类分量决定。望远镜的读数1n2nBB误差主要由标尺的示值误差决定，则取。同理，mm5.012尺BnnUU温度的测量误差也是由温度计的仪器误差限决定，其值为 0.5，则取oC.5.012仪BUUtt2.其它直接测量数据及不确定度金属管长 L、光杠杆常数 b 及平面镜到标尺的距离 R 都是单次测量值，都不考虑 A 类不确定度分量，只考虑 B 类分量，即主要由仪器误差限决定。金属管的长度 L 用钢尺测量，UL = 尺 = 0.5mm，L = ( ± )mm. 光杠杆常数 b 用 50 分度游标卡尺测量，Ub=0.02mm，b = ( ± )mm.距离 R 用钢卷尺测量，UR = 0.5mm，R = ( ± )mm。3.计算线胀系数 及不确定度由公式（4）有11212)(2)(ttLRnnb不确定度为1412212212221212 bU nnUttURU LUUbnnttRL测量结果为1 U4.作 nt 图并求直线的斜率测量中记录了一系列中间数据 t1、nt1，由公式（4）可知它们满足直线方程，其中。利用这些数据可由作图法求出直线方程的斜率BAtnbLRA/2 A，从而求出线胀系数 。要求在坐标纸上作 n-t 图并从图上求出直线的斜率 A。5.用最小二乘法求 n-t 直线的斜率并求线胀系数 （选做）实验思考题实验思考题1. 游标卡尺的使用注意事项是什么？2.本实验测量公式（4）中，各个长度量分别用不同仪器测量，是根据什么原则确定的？哪一个量的测量误差对结果的影响最大？3.在实验中若仪器的支杆也由于受热而膨胀，则对实验结果将产生怎样的影响？4.你能否设想出另一种测量微小伸长量的方法，从而测量出材料的线胀系数？1516实验三实验三 冰的熔解热的测定冰的熔解热的测定实验目的实验目的1了解热学实验中的基本问题-量热和计温；2了解一种粗略修正散热的方法；3练习进行实验安排和参量选择。实验仪器实验仪器量热器、物理天平、水银温度计（050.000C 及 0100.000C 各一支） 、量筒、玻璃皿、冰、停表等。实验原理实验原理一定压强下晶体开始熔解时的温度，称为该晶体在此压强下的熔点。单位质量的某种晶体熔解成为同温度的液体所吸收的热量，称为该晶体的熔解潜热，也叫熔解热。如果把质量为 M 的 00C 的冰，和质量为 m，温度为 t1的水在量热器内筒里混合，使冰全部熔解并达到热平衡后的温度 t2。在这个过程中冰必须吸收热量，才能使它由冰熔解为水，并在熔解为水后温度由 00C 上升为 t2，同时量热器内筒和它所装的水失去了热量，温度由 t1降至 t2.假定这个过程是在与外界绝热的孤立系统中进行，根据热平衡原理，则冰吸收的热量等于量热器和水失去的热量。设冰的熔解热为 ，水的比热为 c，量热器内筒和搅拌器是由同种材料做成的，其质量为 m3，比热为 c3.则即为冰熔解为水并由 00C 上升到 t2所吸收的2MctM热量；即为量热器和它所装的水由 t1冷却到 t2时所放出的热)()(2133ttcmmc量。由此可得：)(21332ttcmmcMctM所以 （1）22133)(ctMttcmmc17为了尽可能使系统与外界交换的热量达到最小，在实验的操作过程中应注意以下各点：不应当直接用手去把握量热器的任何部分；不应当在阳光直接照射下进行实验；不在空气流通过快的地方或在火炉或其它热源旁边进行实验。此外，由于系统与外界温差越大，在它们之间传递热量越快；时间越长，传递的热量越多。因此在进行量热实验时，要尽可能使系统与外界的温差小些，并尽量使实验进行得快些。尽管注意到了上述各点，但除非系统与环境的温度始终相同，否则就不可能达到完全绝热，从而造成误差。为了尽可能减少误差，下面介绍一种粗略的修正方法。本实验中，在刚投入冰块时，水温高，冰的有效面积大，熔解快，因而水温降得较快；随后，随着冰的不断熔解，冰块逐渐变小，水温逐渐降低，冰熔解变慢，水温下降变慢。量热器中水的温度随时间的变化曲线如图 1 所示。其中 为环境温度。由牛顿冷却定律(1)(ddtktQk为系统的散热常数。面积 SA与系统向外界散失的热量成正比，即；面AkSQ散积 SB与系统与外界吸收的热量成正比即.因此，只要，系统对BkSQ吸BASS 外界的吸热和散热就可以大致抵消。要使，就应使(t1-)（-t2） 。究竟BASS t1和 t2应取多少为宜，要在实验中根据具体情况而定。如果系统对外界的吸热和散热不能相互抵消，则要用外推法求出 t1和 t2的修正值 t1/和 t2/，用下式求出冰的熔解热：（2）/ 2/ 2/ 133)(ctMttcmmc121t2ttoABCDBSASEFG图118实验步骤实验步骤1. 称出量热器内筒及搅拌器质量 m3。2在量热器中注入适量的比室温高约 50C 的热水，并称出水的质量 m.3. 用秒表每隔半分钟记下水的温度一次，直记到 5 分钟。4. 第 5 分钟记完水温后，立即将一块质量约为量热器中水的质量的 1/10 的、用滤纸或干布揩干的冰块投入水中（注意：二人配合要十分好，既要迅速，又要仔细，不要溅出水来） 。轻轻搅动搅拌器，并每隔半分钟记录一次温度。当温度下降速度逐渐变慢，达到某一数值后又开始上升时，再记录若干次温度。5. 称一次量热器的总质量，确定冰的质量 M。6. 做出温度时间曲线，并分析判断实验过程中系统向外界散热和从外界吸热是否能相互抵消。如不能，要用外推法求出 t1和 t2的修正值。最后计算冰的熔解热。7. 若由冰块太大造成量热器中水温降得太低，使量热器外表面产生露珠，或者冰块太小使混合温度降不到室温以下，要改变冰块大小，重做一次实验。数据记录数据记录m3(g)m(g)M(g)c3(Jg-10C-1)C(Jg-10C-1)放冰前水温变化表时间（分） 00.511.522.533.544.55温度（0C）放冰后水温变化表时间（分）温度（0C）19误差计算提示误差计算提示在本实验中，我们使用了物理天平和温度计两种仪器，比较两种仪器的准确度可知，由质量引起的误差比起由温度计测量，再经外推法求出温度修正值引起的误差小得多，因此我们可以只考虑温度误差的影响。由式（2）得/ 233/ 133tcMcmmctMcmmc 所以 / 233/ 133tcMcmmctMcmmc 注意事项注意事项1 冰块的选择：要挑选表面光洁，没有麻点，透明度好的冰块。2 投放冰块前应将上面水分迅速除净。预习思考题预习思考题1为了减少系统与外界的热交换，在实验地点和操作中应注意什么？2水的初温选得太高、太低有什么不好？3系统的终温由什么决定的？终温太高、太低有什么不好？4冰块过大或过小有什么坏处？冰块的质量以多大为宜？复习思考题复习思考题分析温度-时间曲线，在什么情况下系统对外界散热和吸热可以相互抵消？为了使散热和吸热可以相互抵消，应如何事先设计系统的初温和终温？附注：冰的熔解热标准值.1gJ67.3332021实验四实验四 液体表面张力系数的测定液体表面张力系数的测定拉脱法拉脱法实验目的实验目的1、掌握焦利氏秤测量微小力的原理和方法；2、测定液体的表面张力系数。仪器和用具仪器和用具约利秤，金属框及金属丝，砝码，玻离皿，温度计，游标卡尺，蒸馏水等。实验原理实验原理液体的表面犹如张紧的弹性薄膜，有收缩的趋势，所以小的液滴总是趋于球形，这说明液体表面内存在一种张力。这种液体表面的张力作用，从性质上看，类似固体内部的拉伸胁强，只不过这种胁强存在于极薄的表面层内，而且不是由于弹性形变引起的，被称为表面张力。设想在液面作一长为 l 的线段，则张力的作用表现在线段两侧液面以一定的力F 相互作用，而且力的方向恒与线段垂直，其大小与线段长 l 成正比，即F = l （1） 比例系数称为液体的表面张力系数，它表示单位长线段两侧液体的相互作用力。表面张力系数的单位 N·m-1.如图 1 所示，在一金属框 P 中间拉一金属细丝 ab ，将框及细丝浸入水中后慢慢地将其拉出水面，在细丝下面将带起一水膜，当水膜将被拉直时，有F = W+2l+ldhg （2）labpFh图122式中 F 为向上的拉力，W 是框和细线所受重力和浮力之差（视重） ，l 为细金属丝的长度，d 为细金属丝的直径，即水膜的厚度，h 为水膜被拉断前的高度， 为水的密度，g 为重力加速度， ldhg 为水膜的重量(由于细金属丝的直径很小，所以这一项不大)。水膜有前后两面，所以上式表面张力为 2l，由（2）式可得（3）2lgldh)WF(本实验用约利秤测量（F-W）之值，用上式计算表面张力系数之值。 实验内容实验内容1测量弹簧的劲度系数 k如图 2 所示，将劲度系数大约为 0.2-0.3 N·m-1的弹簧挂在约利秤上，调节支架的底脚螺旋，使十字线 G 的竖直线穿过平面镜支架上小圆孔的中心，这时弹簧将与 A 柱平行。在秤盘上加 1.00 g 砝码，旋转 E 使弹簧上升，当 G 的横线、横线的像及镜面标线三者相重时为止（以下称三者相重合时 G 的位置为零点） 。用游标读出标尺之值 L，以后每加 0.50g 砝码测一次 L，直至加到 3.50 g 后再逐次减下来。将数据按所加砝码的多少分成两组，用分组求差法，求出劲度系数 k 之值。2测量（F-W）和 h扭动 E 使金属框 P 下降，使 P 上的横丝 ab 刚要和玻璃皿 H 中的水面接触，从主柱上的游标 V 读出 B 柱上的刻度值为 L0. 旋转 S 使 H 中水面上升到横丝 ab 处(ab 和水面刚好相平)，再扭动，轻轻向上拉起弹簧直到水膜破坏为止，再读游标处柱之值为，则两次读数的差值（） ，等于拉起水膜时弹簧的伸长加上水膜的高度，即F W = (L-L0) h k （4）重复若干次，求出的平均值LL 02图23用一细长金属杆代替弹簧，同上去做拉断水膜的操作，这时两次读数和 L之差等于水膜高度 h ,即 ' 0'LLh（5）重复测量，求出和 L的平均值测量细丝 ab 的长度 l 及直径 d.计算水的表面张力系数及标准不确定度，注明实验时的水温。用拉平法测量.拉平法就是在横丝 ab 浸入水中后，提升弹簧到横丝 ab 的下面刚好与水面相平时为止，即式（4）中 h=0.比较两方法。注意事项注意事项水的表面若有少许污染，其表面张力系数将有明显的变化，因此，玻璃皿中的水及金属丝必须保持十分洁净，不许用手触摸玻璃皿的里侧和金属框，也不要用手触及水面。每次实验前要用酒精擦拭玻璃皿和金属框，并用蒸馏水冲洗。测表面张力时，动作要慢，又要防止仪器受震动，特别是水膜要破裂时，更要注意。实验思考题实验思考题说明为使你测出的表面张力系数能有三位有效数字，对所用弹簧的劲度系数k 应有何要求？24实验五实验五 良导体导热系数的测定良导体导热系数的测定实验目的实验目的掌握测定良导体导热系数的一种方法实验仪器实验仪器金属内部导热系数测定器（图 1） 水银温度计（0.1） 蒸汽发生器实验原理实验原理由于热传导，热由物体较热部分传到较冷部分。必须分清热传导的两种不同情况。第一，物体内部热的散步内部热传导；第二，热散失于周围介质中外部热传导。内部热传导仅由被研究物体的材料的性质决定。物体内部由较热部分传到较冷部分的热量 Q（卡）由下式表示（1）SttKQ21即在给定的时间内，沿棒所传过的热量正比于与导热方向垂直的截面积和热流经过的两层之家的温度差，并反比于二层间的距离。上式中各物理量的意义：，测定传热部分两端的温度（）1t2t测定传热部分的长度（cm）传热面积的大小（cm2）S时间（s）内部热传导系数（卡/度厘米秒）K内部热传导系数数值上等于两个相距单位长度的薄层，温度相差 1时，在单位时间内通过单位面积所流过的热量。内部热传导系数通常由对热圆柱的冷却的观察测定。本实验所用装置如图所示：在一金属圆筒内置一导体紫铜圆柱。导体一端有蒸汽箱，另一端有低温水箱（内有螺旋水槽） 。导体上两孔可插入 0100精密温度计两支。旋松低温水箱上两管顶部的压紧螺母可插入 050精密温度计两支。稍稍旋紧压紧螺母可使两温度计固定。必要时可加温度计架支持。由蒸汽发生器来的水蒸汽经由蒸汽箱而冷水通过低温水箱时，导体 A 端就比 B25断热，于是在导体内部热逐步由 A 端传到 B 端。为达到稳定状态，即导体各部分温度保持不变，冷却导体之水流必须保持温度。要得一定的水流速度有水源来的水必先经水位器（接水源后多余在水溢出，而保持一定水位） 。变更水位器的高度，可调整水压大小。设已达稳定状态，四温度计温度不变。1 秒钟内流过导体的热量为：1Q（2）21 1ttKSQ设时间内，由低温水箱流过 M 克的水，那么每秒钟流过的水量为。此水M在一秒钟内由导体热量。2Q（3）)(342ttMQ在稳定状态下，不计散出热量则21QQ 即：（4）)(2421ttMttKS 由（5-4）得SttttMK)()(2134 实验步骤实验步骤1实验前先将立柱、垫圈用 M8 螺帽固定在底板上并将温度计架水位器装在立柱上。2准确测出导体的及半径，并算出传热面积。rS3如图接上水管，蒸汽管并安装 温度计。4调节水流使其缓慢而稳定地流过低温水箱。5加热蒸汽发生器，使蒸汽通入蒸汽箱。6待四温度计读数达到稳定时（1 分钟内温度变化不超过 0.1即可） 。记下26、。1t2t3t4t7开始计时，并另取容器，记下经过此段时间的水量 M。8观察计时完毕后温度是否改变，如略有改变，取开始与终了的平均值。9计算。K10在不同水流情况下，测定系数三至四次。K注意事项注意事项1导体周围应尽量避免对流及向周围介质辐射热量。2事先检查蒸汽发生器内水量是否足够？3水流速度必经适当调节。若水流太慢，则易超过温度计读数范围，以致4t毁坏温度计；若水流太快，则、相差太小，增大实验误差，为避免上述情况，3t4t可在水进入水位器前及进入导体前两处加上橡皮管夹子。调节橡皮管夹子使水位器中央多余水溢出之管始终维持极细微的水流，并使从低温水箱流出的水流成连续的水滴。此时再加热蒸汽发生器，并在实验中途不再改变水流速度。4经导体之水切勿注入水位器。5蒸汽排出管应侵入盛水筒的水面下，使蒸汽不致到处弥漫。6实验完毕取下温度计并尽量使本装置之水干燥。27图 1 实验装置图多余水溢出水位器温度计架接水源立柱精密温度计 0-100导体 蒸汽入口精密温度计 0-50压紧螺母低温水箱M8 螺帽垫圈底板圆筒蒸汽箱至 导 体蒸 汽 出 口经 导 体 的 水 出 口t4t1t2t1rlBA28实验六实验六 不良导体导热系数的测定不良导体导热系数的测定导热系数是表征物体热传导性能的物理量。各种材料的导热系数不仅与构成材料的物质本身有关，而且与其结构、杂质含量及环境因素如温度、湿度、压力等有关。确定材料的导热系数需要用实验进行测量。实验目的实验目的（）学会材料导热系数的测量原理和方法。（）掌握热电偶的测温原理。实验仪器实验仪器红外灯、杜瓦瓶、测温热电偶、数字电压表、待测样品、铜盘、支架。实验原理实验原理1882 年法国数学、物理学家傅里叶给出导热方程，即在物体内部，取两个垂直于导热方向、彼此相距、温度分别为 1和 2（12）的平行面，若平面面积为，在时间内，通过面积的热量满足下式：tQ（）hStQ)(21 其中：为热流量； 为该物质的导热系数，单位为（·）。其定tQ 义为相距的两个面积为m2的平面，其温度相差，在 1s 时间内通过的热量。实验装置如图所示。固定于底座上的个测微螺旋头支撑着一个散热圆铜盘，在散热盘上安放一待测的圆盘样品，样品上再安放一圆筒加热体，圆筒加热体由其上方的红外灯提供热源，使样品上下表面维持温度 1、，1、的值用安插在圆筒加热体、散热铜盘深孔中的热电偶来测量（热电偶接数字电压表），热电偶的冷端浸于杜瓦瓶的冰水混合物中，单刀双掷开关用来变换热电偶的测量回路。数字电压表用来测量温差电动势。由式（）知，单位时间内通过待测样品任一圆截面的热量（）221)(RhtQ 29式中：为圆形待测样品的半径；为其厚度。当达到稳定状态时，1与 2值保持不变，这时散热铜盘通过样品盘上表面的热流量与铜盘向周围散热的速率相等。故可通过铜盘在稳定温度 2的冷却速率来求出热流量。铜盘2 ttQ 在温度 2的散热速率为（为铜盘的质量，为其比热容）。当达到2 tmC稳定状态时，有下式成立：（）ttQmC 将式（）代入式（），得：（）2 21)(RhmCt 实验步骤实验步骤（）按图安放好样品，连好测温回路。将红外灯电源电压调到 180V 左右，加热约 20min，再将电压降至 130V 左右，然后每隔 3min5min 读一下温度值，可图 导热系数测量实验装置示意30直接用电压值代表温度值。如在 10min 内，样品上下表面的温度 1、2值保持不变，即可认为达到稳定状态。记下此时的 1、2值。红外灯加热电压稳定在 130V 左右，在表一记录每隔 3min5min 读取的温度值：表一1（mV）2（mV）（）移去样品再加热。当铜盘温度的对应读数比 2值高 1mV 左右时，停止加热，移去圆筒和红外灯。在移去样品和加热筒及红外灯时，要特别注意圆筒不要碰到红外灯，以免碰坏灯出危险。（）将样品覆盖在铜盘的上面，以保证铜盘的散热速率与初始状态相同。每隔 30s 读一次散热盘的温度值，记入表二，选取 2附近的温度值，求出。2 t表二t（s）2（mV）（）样品的几何尺寸要用游标卡尺多次测量取平均值。散热盘的质量由物理天平测出。（）计算导热系数并求出其不确定度。给出正确的测量结果表达式。可以直接用电动势值代表温度值，代入式（）计算。思考题思考题（）在测量铜盘的散热速率时，为什么要将样品覆盖在它的上面？如果不将样品覆盖在铜盘上，式（）将怎样修正？（）在计算导热系数时，为什么可以用电动势值直接代入式（）？3132实验七实验七 薄透镜成像性质研究及透镜焦距的测定薄透镜成像性质研究及透镜焦距的测定透镜是组成各种光学仪器的基本光学元件，掌握透镜的成像规律，学会光路的分析和调节技术，对于了解光学仪器的构造和正确使用是有益的。另外，焦距是透镜的一个重要特征参量，在不同的使用场合往往要选择焦距合适的透镜或透镜组，为此就需要测定焦距。测焦距的方法很多，应该根据不同的透镜、不同的精度要求和具体的可能条件选择合适的方法。本实验仅介绍其中的几种。实验目的实验目的（1）加深理解薄透镜的成像规律。（2）学习简单光路的分析和调节技术。（3）学习几种测量透镜焦距的方法。实验原理实验原理薄透镜是指透镜中心厚度d比透镜焦距f小很多的透镜。例如一个厚度d约为 4mm，而焦距f约为 150mm 的透镜，在本实验中就可以认为是薄透镜。透镜分为两大类：一类是凸透镜（也称为正透镜或会聚透镜） ，对光线起会聚作用，焦距越短，会聚本领越大；另一类是凹透镜（也称负透镜或发散透镜） ，对光线起发散作用，焦距越短，发散本领越大。图 1 是凸透镜成像图。在近轴光线条件下，透镜的成像规律可用下列公式表示：（1）1 sf sf（2）ssssff式中各物理量的意义及它们的符号规则如下：s 为物距，实物为正，虚物为负；s' 为像距，实像为正，虚像为负；为物方焦距，为像方焦距。 ff