1、稳态法测量不良导体的稳态法测量不良导体的热导率热导率北方民族大学物理实验中心北方民族大学物理实验中心Fundamental physics experiment第1页，共19页。北方民族大学物理实验中心北方民族大学物理实验中心Fundamental physics experiment 热导率（又称导热系数）是反映材料热热导率（又称导热系数）是反映材料热传导性能的重要物理量。某种材料的热导率传导性能的重要物理量。某种材料的热导率不仅与材料的物质种类密切相关，而且还与不仅与材料的物质种类密切相关，而且还与它的微观结构、温度、压力及杂质含量相联它的微观结构、温度、压力及杂质含量相联系。在科学实验和
2、工程设计中，所用材料的系。在科学实验和工程设计中，所用材料的热导率都需要用实验的方法精确测定。热导率都需要用实验的方法精确测定。第2页，共19页。北方民族大学物理实验中心北方民族大学物理实验中心Fundamental physics experiment实验目的实验目的1实验仪器实验仪器2实验原理实验原理3实验内容和步骤实验内容和步骤4数据记录和处理数据记录和处理5思考题思考题6内内 容容第3页，共19页。北方民族大学物理实验中心北方民族大学物理实验中心Fundamental physics experiment实验目的实验目的n掌握用稳态法测量不良导体掌握用稳态法测量不良导体(橡皮样品橡皮样
3、品)的的热导率；热导率；n掌握用作图的方法求冷却速率；掌握用作图的方法求冷却速率；n学习温度传感器的应用方法；学习温度传感器的应用方法；第4页，共19页。北方民族大学物理实验中心北方民族大学物理实验中心Fundamental physics experiment实验仪器实验仪器导热系数测定仪导热系数测定仪游标卡尺游标卡尺电子天平电子天平钢板尺钢板尺秒表秒表第5页，共19页。北方民族大学物理实验中心北方民族大学物理实验中心Fundamental physics experiment一一 热传导遵循的基本规律热传导遵循的基本规律傅立叶定律：傅立叶定律：传热速率传热速率Q/t 与该平面所在处的温与该
4、平面所在处的温度梯度成正比，与平面面积度梯度成正比，与平面面积S 成正比。成正比。热传导 注：该公式稳态法测量样品热导率的原理公式注：该公式稳态法测量样品热导率的原理公式SdxdTtQx0实验原理实验原理第6页，共19页。北方民族大学物理实验中心北方民族大学物理实验中心Fundamental physics experiment二二 稳态法测不良导体的热导率：稳态法测不良导体的热导率：原理公式：原理公式：稳态稳态：经一段时间后，如果在样品的传热方向各截面的传热经一段时间后，如果在样品的传热方向各截面的传热速率速率Q/t相同，那么样品内部将形成一个稳定的温度分布状态。相同，那么样品内部将形成一个
5、稳定的温度分布状态。稳态时样品上下温度将各自停留在某个温度。传热速率稳态时样品上下温度将各自停留在某个温度。传热速率Q/t 和温度梯度和温度梯度（dT/dt）是一个确定的值。）是一个确定的值。关键关键是使样品内部形成是使样品内部形成稳定的传热状态。稳定的传热状态。实验原理实验原理SdxdTtQx0ShTTtQB21第7页，共19页。北方民族大学物理实验中心北方民族大学物理实验中心Fundamental physics experiment 找稳态找稳态？接通电源，打开主机底部小风扇，形成接通电源，打开主机底部小风扇，形成稳定的散热环境，将加热盘温度设定为稳定的散热环境，将加热盘温度设定为80后
6、开始加热，加热后开始加热，加热20分钟后，然后分钟后，然后5分钟记录分钟记录一组样品上下表面温度，若在一组样品上下表面温度，若在10分钟内，样分钟内，样品上下表面温度不变，则样品达到稳态，记品上下表面温度不变，则样品达到稳态，记录（录（T1，T2）。实验原理实验原理第8页，共19页。北方民族大学物理实验中心北方民族大学物理实验中心Fundamental physics experiment散热盘P P的冷却曲线图 达到稳态后，将样品取下，让达到稳态后，将样品取下，让加热盘加热盘 与散热盘与散热盘 直接接触，给散直接接触，给散热盘加热。当散热盘的温度比热盘加热。当散热盘的温度比2高高出若干度后，
7、移走加热盘。散热盘向出若干度后，移走加热盘。散热盘向周围散热，在散热盘散热的过程中，周围散热，在散热盘散热的过程中，每每秒记录一次散热盘温度，测得秒记录一次散热盘温度，测得散热盘温度随时间变化的一组数据，散热盘温度随时间变化的一组数据，利 用 该 数 据 组 绘 制 冷 却 曲 线。利 用 该 数 据 组 绘 制 冷 却 曲 线。实验原理实验原理2TtTmctQ第9页，共19页。北方民族大学物理实验中心北方民族大学物理实验中心Fundamental physics experiment 所有面参与散热的散热盘所有面参与散热的散热盘P P的散热速率与其冷却速率的关系的散热速率与其冷却速率的关系为
8、：为：部分面参与散热的散热盘部分面参与散热的散热盘P的散热速率与其冷却速率的的散热速率与其冷却速率的关系为：关系为：不良导体 的热导率为：实验原理实验原理2TtTmctQ侧侧S2S2SStTmctQT2)(2()4(2212TTPPBPpBtTTThDDhDmch第10页，共19页。北方民族大学物理实验中心北方民族大学物理实验中心Fundamental physics experiment实验内容及步骤实验内容及步骤(1)(1)取下固定螺丝，将橡皮样品放在加热盘与散热盘中间，取下固定螺丝，将橡皮样品放在加热盘与散热盘中间，橡皮样品要求与加热盘、散热盘完全对齐。调节底部的三个橡皮样品要求与加热盘
9、、散热盘完全对齐。调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘、散热盘接触良好，但注意不宜微调螺丝，使样品与加热盘、散热盘接触良好，但注意不宜过紧或过松；过紧或过松；(2)(2)按照图按照图1 1所示，插好加热盘的电源插头；再将所示，插好加热盘的电源插头；再将2 2根连接线的一端根连接线的一端与机壳相连，另一有传感器端插在加热盘和散热盘小孔中，要求传与机壳相连，另一有传感器端插在加热盘和散热盘小孔中，要求传感器完全插入小孔中，并在传感器上抹一些硅油或者导热硅脂，以感器完全插入小孔中，并在传感器上抹一些硅油或者导热硅脂，以确保传感器与加热盘和散热盘接触良好。在安放加热盘和散热盘时，确保传感器与加热盘和
10、散热盘接触良好。在安放加热盘和散热盘时，还应注意使放置传感器的小孔上下对齐。（注意：加热盘和散热盘还应注意使放置传感器的小孔上下对齐。（注意：加热盘和散热盘两个传感器要一一对应，不可互换。）两个传感器要一一对应，不可互换。）第11页，共19页。北方民族大学物理实验中心北方民族大学物理实验中心Fundamental physics experiment实验内容及步骤实验内容及步骤(3)(3)接上导热系数测定仪的电源，开启电源后，仪器进入自接上导热系数测定仪的电源，开启电源后，仪器进入自检程序。左边表头首先显示检程序。左边表头首先显示FDHCFDHC，然后显示当时温度，当转，然后显示当时温度，当转
11、换至换至b=b=时，设定控制温度为时，设定控制温度为8080。设置完成按。设置完成按“确定确定”键，加热盘即开始加热。右边显示散热盘的即时温度。键，加热盘即开始加热。右边显示散热盘的即时温度。(4)(4)打开下方的风扇；打开下方的风扇；(5)(5)加热盘的温度上升到设定温度值时，开始观察散热盘的温度（必要加热盘的温度上升到设定温度值时，开始观察散热盘的温度（必要时可每隔一分钟记录一次），若在时可每隔一分钟记录一次），若在1010分钟或更长的时间内加热盘和散分钟或更长的时间内加热盘和散热盘的温度值基本不变，可以认为已经达到稳定状态了。热盘的温度值基本不变，可以认为已经达到稳定状态了。第12页，共
12、19页。北方民族大学物理实验中心北方民族大学物理实验中心Fundamental physics experiment实验内容及步骤实验内容及步骤(6)(6)拧下固定螺丝，取走样品，再将加热盘和散热盘重新对拧下固定螺丝，取走样品，再将加热盘和散热盘重新对齐，调节三个螺栓使加热盘和散热盘接触良好，给散热盘齐，调节三个螺栓使加热盘和散热盘接触良好，给散热盘加热使其温度上升到高于稳态加热使其温度上升到高于稳态T2 值值5左右即可。左右即可。（7 7）移去加热盘，让散热圆盘在风扇作用下冷却，每隔）移去加热盘，让散热圆盘在风扇作用下冷却，每隔1010秒（或者秒（或者2020秒）记录一次散热盘秒）记录一次散
13、热盘 的温度示值填入数据的温度示值填入数据记录表中。记录表中。2T(8)(8)用游标卡尺和钢板尺分别测量样品和散热盘的直径和厚度各用游标卡尺和钢板尺分别测量样品和散热盘的直径和厚度各六次填入数据记录表中。六次填入数据记录表中。(9)(9)用电子天平称量一次散热盘的质量并填入数据记录表中。用电子天平称量一次散热盘的质量并填入数据记录表中。第13页，共19页。北方民族大学物理实验中心北方民族大学物理实验中心Fundamental physics experiment样品尺寸（见实验台标签）样品尺寸（见实验台标签）稳态时加热盘稳态时加热盘 T1=_，散热盘，散热盘 T2=_散热盘冷却过程散热盘冷却过
14、程12345678 t（s）T（）数据记录与处理数据记录与处理一、数据记录一、数据记录第14页，共19页。北方民族大学物理实验中心北方民族大学物理实验中心Fundamental physics experiment数据记录与处理数据记录与处理n实验数据记录（铜的比热实验数据记录（铜的比热c=0.09097calg-1 C-1，比重，比重8.9g/cm8.9g/cm3 3）n散热盘散热盘P P：质量：质量m=m=（g g）123456Dp(cm)hp(cm)123456DB(cm)hB(cm)第15页，共19页。北方民族大学物理实验中心北方民族大学物理实验中心Fundamental physic
15、s experiment 1 1在坐标纸上绘制散热盘的冷却曲线在坐标纸上绘制散热盘的冷却曲线（Tt曲线），根据曲线），根据作图法求出散热盘的冷却速率。作图法求出散热盘的冷却速率。2 2计算橡皮的热导率计算橡皮的热导率。二、数据处理二、数据处理第16页，共19页。北方民族大学物理实验中心北方民族大学物理实验中心Fundamental physics experiment注意事项注意事项（1 1）为了准确测定加热盘和散热盘的温度，实验中应该在）为了准确测定加热盘和散热盘的温度，实验中应该在两个传感器上涂些导热硅脂或者硅油，以使传感器和加热两个传感器上涂些导热硅脂或者硅油，以使传感器和加热盘、散热盘
16、充分接触；另外，加热橡皮样品的时候，为达盘、散热盘充分接触；另外，加热橡皮样品的时候，为达到稳定的传热，调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热到稳定的传热，调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘、散热盘紧密接触，注意不要中间有空气隙；也不要将盘、散热盘紧密接触，注意不要中间有空气隙；也不要将螺丝旋太紧，以影响样品的厚度。螺丝旋太紧，以影响样品的厚度。（2 2）导热系数测定仪铜盘下方的风扇做强迫对流换热用，）导热系数测定仪铜盘下方的风扇做强迫对流换热用，减小样品侧面与底面的放热比，增加样品内部的温度梯度，减小样品侧面与底面的放热比，增加样品内部的温度梯度，从而减小实验误差，所以实验过程中，风扇一定要打开。从而减小实验误差，所以实验过程中，风扇一定要打开。第17页，共19页。北方民族大学物理实验中心北方民族大学物理实验中心Fundamental physics experiment（1）如果长时间达不到稳态，可能是什么原因？如果长时间达不到稳态，可能是什么原因？怎么解决？怎么解决？（2）空气和水是热的不良导体，仿照本实验的设计，空气和水是热的不良导体，仿照本实验的设计，构思一套测量空气或水的热导率的装置。构思一套测量空气或水的热导率的装置。思考题思考题第18页，共19页。第19页，共19页。
