83716

Определение коэффициента термического расширения (линейного) твёрдого тела

Лабораторная работа

Физика

Определить температуру металлической проволоки при протекании через неё электрического тока. Измерить удлинение проволоки при нагревании. В данной работе экспериментально определяется коэффициент термического расширения твердого тела металлической проволоки.

Русский

2015-03-16

117.05 KB

20 чел.

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНИРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ ГОРНЫЙ»

Лабораторная работа № 4

По дисциплине                                                Физика

                                     (наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)

Название:                     Определение коэффициента термического расширения

(линейного) твёрдого тела

Автор: студент  гр.   ПЭ-14                        __________________               /                           /

                                                                      (подпись)

                                                                                                                                (Ф.И.О.)

ОЦЕНКА: _____________

Дата: ___________________

ПРОВЕРИЛ                  Доцент                   ____________________             /                         / 

                                       (должность)               (подпись)                                                     (Ф.И.О.)

Санкт-Петербург

20….

Цель работы: 

1. Определить температуру металлической проволоки при протекании через неё электрического тока. 2. Измерить удлинение проволоки при нагревании. 3. Определить показатель коэффициента термического расширения.

Общие сведения

Практически все физические параметры изменяются при изменении температуры тела. В данной работе экспериментально определяется коэффициент термического расширения твердого тела (металлической проволоки).

Связь между температурой тела и изменением его объема задается формулой

         [1]

где     - коэффициент объемного расширения, Vo - объем при начальной температуре,

 t - изменение температуры.

Для линейного расширения тела формула [1] приводится к виду:

        [2]

где  - коэффициент линейного расширения, Lo - начальная длина тела, Lo = 1 м.

Из формулы [2] следует, что для определения коэффициента необходимо знать начальную длину проволоки Lo, изменение температуры t и соответствующее изменение длины L. Изменение длины проволоки можно непосредственно измерить при помощи микрометрического индикатора, а температуру непосредственно измерить невозможно. Поэтому в данной работе определение температуры проволоки производится по изменению ее сопротивления при нагревании (термический коэффициент сопротивления предполагается известным).

Зависимость сопротивления металла от температуры имеет вид, аналогичный формуле [1]:

         [3]

Поскольку нагрев проволоки производится протекающим через нее электрическим током, зная падение напряжения на сопротивлении и силу тока, можно вычислить сопротивление проволоки:

           [4]

Силу тока определяем по падению напряжения на эталонном сопротивлении, термическим коэффициентом сопротивления которого можно пренебречь.

При выполнении работы необходимо учитывать, что зависимость [2] выполняется в ограниченном интервале температур. При значительном нагреве удлинение проволоки превышает рассчитанное по формуле [2], проявляется эффект, аналогичный пластической деформации при значительном растяжении. Поэтому при обработке экспериментальных данных необходимо рассчитывать коэффициент  по температурам, незначительно отличающимся от начальной.

Схема установки

    2-исследуемая проволока.

              1-трубка.

              4- груз.

              5-микрометрический индикатор.

              7-нагрузочное сопротивление.

              8-блок питания.

              9-цифровой вольтметр.

              10-цифровой вольтметр

                 11-переключатель нагрузочного                              

                                                                                          сопротивления

Основные расчётные формулы:

1. ,   С  λ-термический коэффициент расширения.                    2.                      Lо-начальная длинна проволоки.

     β-коэффициент линейного расширения.

Погрешности прямых измерений

ΔL=0.25 мкм.

ΔUэт=0.01 В.

ΔUпр=0.01 В.

Исходные данные

Lо=1м.

d=0.01мм.

λ=0.0046 град-1.

Погрешности косвенных измерений

Таблица №1. Полученные измерения

Uпр, В

Uэт, В

Rпр, Ом

t,

δL, мкм

β,

1

0,18

0,81

0,0089

2

0,37

1,62

0,0091

3

2,07

2,92

0,0284

487,9

12

4

4,25

5,74

0,0296

518,0

53

1.76

5

6,61

8,38

0,0316

564,8

120

1,57

6

9,24

10,75

0,0343

633,1

219

1,510

7

12,19

12,8

0,0381

722,8

336

1,43

8

15,45

14,54

0,0425

829,3

544

1,59

9

19,01

15,98

0,0476

952,0

994

10

22,84

17,15

0,0533

1089,4

1651

11

26,88

18,11

0,0593

1236,7

2500

12

31,10

18,89

0,0659

1393,3

3713

13

26,88

18,11

0,0593

1236,7

3497

14

22,84

17,15

0,0533

1089,4

3293

15

19,01

15,98

0,0476

952,0

3103

16

15,45

14,54

0,0425

829,3

2933

17

12,19

12,8

0,0381

722,8

2785

18

9,24

10,75

0,0343

633,1

2663

19

6,61

8,38

0,0316

564,8

2569

20

4,25

5,74

0,0296

518,0

2501

21

2,07

2,92

0,0284

487,9

2463

Примеры вычислений

.

 

 

813,685

График зависимости удлинения проволоки от её температуры

Область пластической деформации

Область линейного удлинения

Окончательные результаты с учётом погрешности измерений

Показатель коэффициента термического (линейного) расширения вольфрамовой проволоки: β=(1,572).

Вывод:

В ходе работы был измерен коэффициент термического расширения линейного твердого тела. Был проведён 21 опыт на экспериментальной установке, зафиксированы значения приборов и рассчитаны значения температур и сопротивлений. Сравнивая с табличным значением, которое равно 1,5 град-1, можно сказать о том, что результат близок к действительности. Отклонение результата эксперимента от табличного (1,5) на 4,8%. Это отклонение не лежит в пределах погрешности,   связано это может быть с условиями проведения эксперимента.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10598. Методы решения краевых задач. Метод разделения переменных (Метод Фурье) 119.66 KB
  Методы решения краевых задач. Метод разделения переменных Метод Фурье. Метод разделения переменных относится к классическим методам решения линейного дифференциального уравнения теплопроводности. При его применении вначале находится совокупность частных решений...
10599. Методы интегрального преобразования 76.24 KB
  Методы интегрального преобразования. Операционные методы. Для многих задач теплопроводности использование классических методов оказывается неэффективным например применение метода разделения переменных для задач с внутренними источниками тепла. Основные пра
10600. Нагрев неограниченной пластины. Решение методом преобразования Фурье 73.38 KB
  Нагрев неограниченной пластины. Решение методом преобразования Фурье Дана неограниченная пластина толщиной 2R при температуре. Теплообмен с окружающей средой происходит при ГУ2. Нагрев осуществляется переменным источником ...
10601. Нагрев неограниченного цилиндра 67.29 KB
  Нагрев неограниченного цилиндра Решение задачи нагрева цилиндра произведем с помощью преобразования Ханкеля 81 Краевые условия Tr0=fr...
10602. Нагрев цилиндра конечных размеров 86.09 KB
  Нагрев цилиндра конечных размеров. Если имеется симметрия относительно оси z то оператор тождественно равен нулю тогда получим Рассмотрим решение уравнения для конечного цили...
10603. Численные методы решения тепловой задачи. Метод конечных разностей 218 KB
  Численные методы решения тепловой задачи. Метод конечных разностей Многие математические модели описываются дифференциальным уравнением или системой дифференциальных уравнений с краевыми условиями первого второго и третьего рода. Точное решение краевых задач уд...
10604. Метод граничных элементов 353 KB
  Метод граничных элементов Приводятся фундаментальные решения для ортотропных и анизотропных областей и показывается что все положения обсуждавшиеся в предыдущих разделах справедливы также и для бесконечных областей при выполнении определенных условий регулярно...
10605. Метод конечных элементов. Прямое построение глобальной матрицы жесткости 124.5 KB
  Метод конечных элементов Прямое построение глобальной матрицы жесткости Метод построения глобальной матрицы жесткости весьма неэффективен при использовании цифровой вычислительной машины. Эта неэффективность объясняется тем что матрица жесткости отдельного эл...
10606. Решение МКЭ тепловой задачи для цилиндра. Алгоритм расчета 635.5 KB
  Решение МКЭ тепловой задачи для цилиндра. Алгоритм расчета Математическая модель линейной задачи теплопроводности с внутренним тепловыделением в цилиндрических координатах имеет вид: 1 с граничными условиями: