实验29应用计算机测定导热系数.doc

大学物理实验教案实验名称：应用计算机测定导热系数1. 实验目的1 ）学习平板法测量不良导体导热系数的方法2 ）掌握在科学工作室平台上利用计算机和热电偶测量温度的方法3）学习根据动态平衡的原理测定热流速率的方法2. 实验仪器导热系数测定仪、杜瓦瓶、热电偶、游标卡尺、 500型科学工作室接口、直流电压放大器、计算机及科学工作室接口、塞规3. 实验原理及方法平板法Q ftq = — = —Z.—平板法测定导热系数的原理是根据以下的导热方程式 A ；：x （ 1）推导出来的如图29— 1，在某一时刻，热量自温度为 “的高温盘通过厚度为 h、面积为A的导热样品平板向温度为 屯的低温盘传导，在 ：t秒内，从高温面传到低温面的热量 Q，由导热方程（1）推导可满足下述表达式:二Q 厂七A盘 h （ 3）图图29— 1式中.'-t为热流速率，-为该物质的导热系数（热导率）平板法如图29— 1所示，这样的一个热传导系统，在某一时刻，对于温度为 二2、质量为m、比热为cp的低温盘来说，当高温物体通过待测量的样品材料以 "W的速率给低温物体输入热量，同时低温物体一方面吸收热量，另一方面向四周散热根据能量守恒定律有Q dl dlmpCp mpCp ——=t dt dt 散热 （4）式中dt为低温物体温度为 二2时的温度变化率， dt散热为低温物体温度为-2时向四周散热的温度变化率。

根据（3）、（4）式有一 g旦p p dtd令+ mpCp—2 )h/A(® —°2)(5)dt |散热根据（5）式只要分别测量出样品的尺寸 h、A以及低温物体的质量 m和比热cp，并确定某一时刻的高温物体温度 刃和低温物体温度 6以及温度为 出时低温物体的温度变化率dt和对应的向四周散热的温度变化率 dt散热就可以确定材料的导热系数 ■对于直径为d圆形样品，（5）式可整理为：, d日2丄 d日2 2 a a九=4h（mpCp=+mpCp= ）"d （耳一码）dt dt 散热 / 6）3.2实验装置及方法实验装置如图29— 2所示，在支架D上先放上圆形散热铜盘 P （材料是铜-康铜）、待测 出样品B （圆形盘不良导体） 和与电热器连成一体厚底紫铜圆盘 A在A的上方用电热器L加热，散热盘下方用电风扇吹风散热，使样品上、下表面温度分别为 ，、2并分别用安插在A、P侧面深孔中的两条热电偶 E来测量利用科学工作室数据采集系统可以实现温度特 性的实时采集，并确定各个时刻低温散热盘的温度变化率和对应的向四周散热的温度变化 率实验接线如图 29— 3所示，富热底猛A敬热羽盘P嫩宇电压龙1热电压 送弾开关热电何插孔图29—2导热系数测定仪特测样品特测样品导热系数测定仪直流电压廳大器A直流电压廳大器A直涼宇压放大器B直涼宇压放大器B刘0型播口计篦机图29-3应用计算机测量温度线路连接示意图热电偶的输出经两路直流电压放大器放大后接入 500型科学工作室接口，利用科学工作室软件及计算机采集加热过程中系统的温度变化特性以及切断热源后散热盘的散热曲线，如图29— 4所示。

加热盘A和散热盘B的温度随时间变化曲线图29—4科学工作室采集到的温度特性曲线4. 教学内容1） 学生必须事先预习讲义、初步理解实验原理；2） 复习科学工作室“用户自定义传感器”原理；3） 讲解传导方程及平板法传热的工作原理；4） 学生严格按照讲义中的实验内容及步骤调整实验仪器；5） 检查学生实验状况及测量结果，并确认；6） 学生进行数据处理并写出实验报告；7） 根据标准评分批改实验报告并给出成绩5. 实验教学组织及教学要点1） 教学组织5.1.1 教师在实验课开始前， 必需备课、熟悉仪器，并进行实际操作及数据测量;5.1.2 根据所做实验的感觉、经历和相关知识要点拟订教案、并进行数据处理；5.1.3 学生必须课前预习，并写出预习报告；5.1.4 课堂上，教师抽查提问学生，检查学生预习情况、实验中所要求的知识要 点、实验步骤、重要参数等掌握状况；d日5.1.5 根据提问状况，讲解实验原理及操作的难点，演示如何测定斜率 dt ；5.1.6 学生自己做实验，有问题教师及时讲解和2） 教学要点5.2.1 如何理解公式（6）；5.2.2 如何测定各待测量；5.2.3 如何设置温度传感器；6. 实验中易出现的问题1） 热电偶参考端和测量端易搞错；2） 散热盘和加热盘的热电偶易搞错；3） 采样选项设置错误。

7. 实验参考数据表29-1 :数据测量dCh(mm)d (mm) mp(g) (j/kg?K)t(s)呻 j2（C）dtd日2 dt散热（c(%)/s)8.42 129.52 902.8 383 698.159 100.870 41.095 0.03488 -0.015118.34 129.628.36 129.588.40 129.608.40 129.448.36 129.408.38 129.508.42 129.368.42 129.448.40 129.42UTT OT UTO CTO 52F量测温^散1#据^05线性适配~, Linear Fit y = al + a2 x al = 75.726 72a2 = -0.0 207 6 ch iA2 = 0.33 019重复次数 =2050 010 001520 00根据肖维涅准则判定 h、d测量无坏值，并计算得到以下数据(单位 mm其中：m =0.02(mm)):AE UxEx =xxSxS_xU A = SxU B 二V3Ux 4U；h8.400.0430.00130.0130.0120.0180.214%d129.490.0900.0280.0280.0120.0300.0232%实验测量图如下：7号桌导热系数测定时间(秒)九=4hmpCp(普 + 曽 )/nd2(q -日2)dt dt散热-4 8.40 10^ 383 (0.03488 0.01511) T： (129.49 10^)2 (100.87^ 41.095)二 0.204(w/mK)m 0.005■ u q =U 0 = ~^=—=0.0028、3 、3 CU 厂.2U 厂 一 2 0.0028 二 0.0041 cE .「仝=0.0041 二 0.000068 二 0.0068%59.7752i'Uh、E^.. h - …’r h丿i d丿a丿= 0.00219 = 0.219%2Ud U-= J(0.00214]2 +(2x 0.0002322 +(0.000068l2U , = E, ■ = 0.00219 0.204 =0.0004（w/mK）_ =E±U 扎=（2.04±0.01）＞d0-*（w/mK）上扎= 0.22% （P =0.683&实验结果检查方法1） 01、$是否同一时间取值，t的值；2） dt、 dt散热是否取得同一温度 02的斜率；9.课堂实验预习检查题目1） 认识实验装置、介绍实验装置；2） 做何实验，测定哪一个物体的导热系数？3） 如何测量h、d ?至少测多少次4） mp、Cp是哪一个物体物理量？5） 如何理解公式（5）?迢 d日26） 公式（5）中的dt 、 dt散热有何区别？7） 科学工作室500接口的A、B、C通道识别何种信号？8） 何时可以“用户自定义传感器”定义传感器？9） 散热盘下方的轴流式风扇起什么作用？若它不工作时实验能否进行，为什么?10） 如何理解图29-4 ?采样选项如何设定？。