物理实验报告
课程名称： 大学物理实验
实验名称： 金属导热系数测量
学院： 专业班级：
学生姓名： 学号： 实验地点： 基础实验大楼
实验时间：
1
一、实验目的： 用稳态法测定金属良导热体的导热系数，并与理论值进行比较。 二、实验原理： 1882年法国数学、物理学家傅里叶给出了一个热传导的基本公式——傅里叶导热方程.该方程表明，在物体内部，取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h、温度分别为T1、T2的平行平面（设T1 >T2），若平面面积均为S，在Δt时间内通过面积S的热量ΔQ满足下述表达式 T?T?Q??S12 （8-1） ?th式中?Q为热流量，?为该物质的热导率（又称作导热系数）. ?在数值上等于相距单位长度的两个平面的温差?t相差1个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是W/(mK) 图8-1 稳态法测定导热系数实验装置示意图 本实验仪器如图8-1所示.在支架D上先放置散热盘P，在散热盘A的上面放上待测样品B，再把带发热器的圆铜盘A放在B上，发热器通电后，热量从A盘传到B盘，再传到P盘，在样品B上、下分别有一小孔，可用热电偶测出其温度T1和T2.由式（8-1)可以知道，单位时间内通过待测样品B任一圆截面的热流量为 T?T?Q??S12?RB2 ?th2
式中Rb为样品的半径，hb为样品上、下小孔之间的距离，当热传导达到稳定状态时，T1和 T2的值不变，于是通过B盘上表面的热流量与由铜盘P向周围散热的速率相等，因此，可通过铜盘P在稳定温度T3时的散热速率来求出热流量?Q.实验中，在读得稳定时的T1、T2、T3后，即可将B盘移去，而使A盘的底面与铜?t盘P直接接触．当铜盘P的温度上升到高于稳定时的值若干摄氏度后，再将圆盘A移开，让铜盘P自然冷却观察其温度T随时间t的变化情况，然后由此求出铜盘在T3的冷却速率?Q?Q?QT?T2??T?T3，而mc (m为铜盘?t?t?tP的质量，c为铜材的比热容），就是铜盘P在温度为T3时的散热速率．但要注意，这样求出的?Q是铜盘的全部表?t面暴露于空气中的冷却速率，其散热表面积为2?R2p?2?Rphp（其中RP与hP分别为铜盘的半径与厚度）．然而，在观察测试样品的稳态传热时，P盘的上表面（面积为?R2p时）是被样品覆盖着的．考虑到物体的冷却速率与它的表面积成正比，则稳态时铜盘散热速率的表达式应作如下修正 2?Q?Q(?Rp?2?Rph) （8-3） ?mc?t?t(2?R2p??Rph)将式（8-3）代入式（8-2），得 ?=mc三、实验仪器： TC-3型导热系数测定仪、杜瓦瓶、游标卡尺 (Rp?2hp)hB?T1 2?t(2Rp?2hp)(T1?T2)?RB四、实验内容和步骤： (1）先将两块树脂圆环套在金属圆筒下端，然后置于加热盘A和散热盘P之间，调节散热盘P下方的三颗螺丝，使金属圆筒与加热盘A及散热盘P紧密接触。 (2）在杜瓦瓶中装入一定的自来水，将热电偶的冷端插入杜瓦瓶中，热端分别插入金属圆筒侧面上、下的小孔中，并分别将热电偶的接线连接到导热系数测定仪的传感器I、II上。 (3）接通电源，将加热开关置于高挡，当传感器I的温度T1对应的热电势一定长的时间内稳定时金属圆筒达到稳态（T1与T2的数值在10min内的变化小于0.03mV），每隔2min记录T1和T2的值。 3
(5）测量记录在稳态时候散热盘P的温度T3。 (6）测量散热盘P在稳态值T2附近的散热速率?T：移开加热盘A，先将两侧温热端下，再将T2的测温热端插入?t散热盘P的侧面小孔，取下金属圆筒，并使加热盘A与散热盘P直接接触，当散热盘P的温度上升到高于稳态T3的值对应的热电势约0.2mV时，将加热盘A移开，让散热盘P自然冷却，每隔30s，记录此时的U3值。 (7）记录散热盘P的直径、厚度、质量和金属圆筒的直径和厚度。 五、实验数据与处理： 由实验仪器可以读出：散热盘的质量 823g 散热盘的直径 12.62cm 散热盘的厚度 0.70cm 金属铝圆筒的直径 3.9cm 金属铝圆筒的高度 9.0cm 稳态时的U1、U2 U1/mV U2/mV 1 1.27 1.25 2 1.28 1.25 3 1.28 1.26 4 1.29 1.28 5 1.28 1.27 平均 1.280 1.262 金属棒稳态时散热盘U3=0.82mV 散热盘散热时间的所降温度： T/s U3/mV 30 0.82 60 0.68 90 0.75 120 0.68 150 0.65 180 0.62 210 0.60 240 0.57 由逐差法可以算出：?U?0.009/mvs?1 ?t已知铜的比热容为：c?0.092cal/(g℃) 根据实验结果，计算出金属圆筒良导热体的导热系数： 4
(Rp?2hp)hB?T1?=mc2?t(2Rp?2hp)(T1?T2)?RB12.620.70(cm?2?cm)?9.0cm122=8.23g?0.092cal/(g℃)?0.009/mVs?1??12.620.703.9(2?cm?2?cm)?(1.280?1.262℃)? ?(cm)2222 ?0.453calcm?1s?1C?1?1.90?102W/(mk) 2与已知的?Al?2.00?10W/(mk)比较： 绝对误差为：0.10?10W/(mk) 20.10?102W/(mk)?100%?5%，实验测量较为成功。 相对误差为：22.00?10W/(mk) 六、误差分析： 1. 实验中铝的纯度及杂质未知。 2. 实验装置接触不够紧密，散热面积有所偏差而带来误差。 3. 测量时不是标准的稳态时，而是近似看作稳态，这样带来的误差。 4. 热电偶的两端在插入时，深浅对实验有影响，过程中无法保持同一深度 5. 人为误差，如人流的走动等也会引起误差。 6. 在实验第三四步的时候人为操作慢导致热量散失。 七、思考题： 热电偶测量温度的原理是什么？ 答： 将A、B两种不同的导体,组成闭合回路，两点的温度不同时，回路中就会产生热电势，因而就有电流产生，电流表就会发生偏转，这一现象称为热电效应（塞贝克效应），产生的电势、电流分别叫热电势、热电流。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表; 分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的,不同的热电偶具有不同的分度表。 本实验中，热电偶是通过样品B上下端温度T1和T2的温度差，产生热电势，从而可测出温度。 5
八、附上原始数据： 6