1、測量玻璃的熱膨脹系數和折射率溫度系數復旦大學 物理學 徐楊1實驗內容一.測量樣品的熱膨脹系數二.測量樣品的折射率溫度系數三.分別估測玻璃片B和B的楔角B和B2 測量溫度范圍：4090 激光波長=632.8nm 樣品中A的高度L=10.120.05mm 樣品材料對應此波長在測量溫度范圍內平均折射率n=1.515 測量溫度范圍內與視為常數3實驗裝置與器材樣品：實驗所用的樣品由均勻各向同性的待測玻璃制成，如圖1所示。其中A是被切去一部份的玻璃圓柱體，上下表面基本平行；B和B是兩塊也被切去一部份的圓形薄玻璃板，每塊玻璃板的上下表面不平行。三塊玻璃A、B、B膠合成一體，如圖1所示。膠的折射率與玻璃相同，

2、厚度可以忽略不計。452. 加熱裝置：該實驗的加熱裝置如圖2所示，圖中電爐右邊的旋鈕用于調節電爐溫度。大鋁塊中間有一個圓柱形的樣品腔，樣品可放在其中。小鋁塊上有兩個孔，一個可用于通光，另一個可用來插溫度計的探頭。如要對樣品加熱，可先小心地將樣品滑入大鋁塊的樣品腔中（這時應將大鋁塊傾斜，以防樣品撞碎），再放入小鋁塊，然后把整個大鋁塊放入電爐上的鋼杯中，就可以對樣品加熱。673.光源支架：如圖3所示，在支架的上部裝有He-Ne激光器及其電源，在激光器的下面有一個傾斜的擱架，上面擱放了一塊帶小孔的觀察屏。支架底部有三個腳，C腳是固定的，不可調節， A腳和B腳可以調節。4. 樣品平臺：光源支架底部有一

3、圓形平臺，用于放置樣品或電爐，其底部有三個腳a、b、c，高低可調，見圖3。85. 數字式溫度計：1個6. 卷尺和直尺：各1把7. 水盆：1個（內有冷卻用水）8. 毛巾：1塊9.小紙片：1張9第一部分：測量樣品的熱膨脹系數10實驗原理：11圖412實驗步驟（包括測的步驟）13 首先我們要判斷樣品的形狀，即B與B是外側厚還是內側厚。為方便說明，光從有空氣柱一側照射記為從c處照射，從中間照射為從b處照射，從另一側為從a處照射。并以有空氣柱一側為外側。從c處入射時，有三個主要光斑（不考慮多次反射）。用小紙片遮住B上表面，此時外側的光斑消失，說明B與B均為外側厚，內側薄。進一步可判斷，三個光斑中，中間那

4、個是B的下表面與B的上表面干涉形成的，內側那個是B的上表面反射形成的，外側那個是B的下表面反射形成的。14 實驗中，當不放小鋁塊時，三個主要光斑都很亮，放上小鋁塊后，外側光斑變暗。原因是，由上述分析可知，外側光斑是B的下表面反射形成的，其偏折角較大，所以放小鋁塊后其光路被遮擋，于是外側光斑變暗。為了方便觀察級次移動，應使視野中干涉條紋數較少。調節好后試加熱，觀察條紋移動，當視野中出現兩條亮紋中間夾一條暗紋，且兩條暗紋亮度和粗細相同時作為計數點。15 第一次測量 （ 鋼杯中加較多水，水浴加熱）溫度T/條紋數/N37.7 142.4 247.2 351.9 456.3 561.0 665.8 76

5、9.7 873.6 977.7 1081.5 1184.7 1287.7 131617第二次測量（鋼杯中加較少水，水浴加熱）溫度T/條紋數/N44.6 149.4 254.0 358.9 463.6 568.3 672.5 776.9 880.3 983.6 101819第三次測量（不加水，先加熱再冷卻）溫度T/條紋數/N 41.1 146 251.0 357 462 567.0 672.5 776.5 880.5 9 84.9 1088.9 1193.7 1297.6 13100.9 14104.5 15107 16108.8 17103.3 1899.3 19（續表）溫度T/條紋數/N95

6、.32091.32187.32283.32379.32475.32571.42667.42763.42859.32955.33051.33147.33243.23339.13420加熱時（117組）21自然冷卻時（1834組）22數據處理第一次，得u（）=（7.390.04）10-6K-1第二次，得u（）=（7.090.04）10-6K-1第三次，加熱時，得u（）=（7.190.06）10-6K-1冷卻時，得u（）=（7.810.04）10-6K-123第二部分：測量樣品的折射率溫度系數24實驗原理25 測時，直接采用自然冷卻法，原因如下： 在的多次測量中，自然冷卻法測得的值最大，也即k最小，

7、那么，加熱時k比冷卻時大的原因是什么？哪一個值更接近真實值呢？ 數字式溫度計的傳感器在探針的頭部，此處與玻璃樣品接觸，而探針的側面則與小鋁塊接觸。盡管此處沒有傳感器，但因為金屬探針是熱的良導體，而探針側面積又較大，故小鋁塊的熱量也會很快地傳到探針頭部的傳感器中，從而對溫度計示數產生不可忽略的影響。 加熱時，裝置整體較快地接收熱量，而由于玻璃的熱傳導系數遠小于鋁塊（鋁：237，單層玻璃：6.2），故小鋁塊升溫快于玻璃樣品，這樣，溫度計示數就會高于樣品實際溫度，且后一個數據點的溫差大于前一個，也就是所得曲線的斜率大于真實情況。而自然冷卻時，由于熱量散失較慢，小鋁塊與樣品溫差可以忽略，這樣，測得曲線

8、的斜率就會較為接近真實情況。所以，可以認為自然冷卻法所得結果較為準確，故直接用此法測。 從測的幾組實驗的對照，即第一組與第二組對照，第三組加熱與第三組冷卻對照，第一組、第二組、第三組加熱與第三組冷卻對照，可以發現，能否將測的較為準確與裝置和外界熱交換速率有關，速率較慢時測量結果較為接近真實值，故自然冷卻法是最好的測量方法，但其也存在著實驗所需時間過長的弊端。26 另外，加熱時的曲線，其后幾點的斜率下降，這是因為此時停止了加熱，小鋁塊與樣品溫差逐漸減小。但是，仔細觀察曲線，即使剔除了關閉電爐后的點，也并非嚴格的直線，而是斜率逐漸減小的曲線（當然，最小時也仍然比自然冷卻時大）。這又是什么造成的呢？

9、經分析，有以下三種可能原因：1.隨著溫度升高，小鋁塊與樣品溫差增大，這會加快樣品對熱量的吸收，從而對小鋁塊與樣品間溫差的增大產生反作用。2.隨著溫度升高，小鋁塊與電爐（當然中間還會通過大鋁塊）溫差減小，這會減慢小鋁塊對熱量的吸收，從而對小鋁塊與樣品間溫差的增大產生反作用。3.隨著溫度升高，裝置向外界散熱的速率加快，這對小鋁塊的影響較大，從而對小鋁塊與樣品間溫差的增大產生反作用。 在這三個原因中，因為玻璃熱傳導系數遠小于鋁，故第一個原因可忽略。而后兩個原因中，由于金屬之間的熱傳遞要快于金屬與空氣之間，故可以認為第二個原因是最主要的影響因素。27不加水自然冷卻測量溫度/條紋數/N98 196.3294.6392.8490.8588.7686.5784.3882.1979.91077.71175.51273.31371.11468.91566.716溫度/條紋數/N64.51762.3 1860.1 1957.92055.72153.52251.32349.12446.92544.72642.52740.32838.1292829數據處理不加水自然冷卻測得u（）=（2.550.08）10-6K-130第三部分： 估測玻璃片B和B的楔角B和 B31實驗原理32圖533實驗步驟34B在上，