【大学物理实验论文格式范例】

金属铝的热导率的测量

班级：机111 姓名：XXX 学号：3111111111

在做大学物理实验“稳态法测量不良导体的热导率”时，老师提问是否可以用稳态法测量良导体，本人对于这个问题进行了资料收集。理论分析和试验结果可以表明，稳态法也可以测量良导体的热导率。本文中选择金属铝为研究对象，讨论了稳态法测量良导体的方法。

一、稳态法测量热导率的原理

导热系数是表征物体传热性质的物理量，它与材料的结构、杂质的多寡和温度有关。导热系数常用实验方法测定。用温度稳态法测定，即先利用热源在试样内形成稳定的温度分布，然后再用铂电阻作为传感器的数显温度计测量其温度差，并通过测其散热速率来测传热速率，最后用傅立叶导热方程式求出导热系数。

导热系数的测定原理是以法国数学、物理学家约瑟夫·傅立叶给出的导热方程式为基础的。该方程式指出，在物体内部，在垂直于导热的方向上，两个相距为h,面积为A，温度分别为 1， 2的平行平面，在 t秒内，从一个平面传到另一个平面的热量ΔQ，满足下述表式：

2 Q

（1） A 1

th

式中 定义为该物质的导热系数，亦称热导率。由此可知，导热系数是一表

征物质热传导性能的物理量，其数值等于二相距单位长度的平行平面上，当温度相差一个单位时，在单位时间内，垂直通过单位面积所流过的热量。

图1热传导规律

材料的结构变化与杂质多寡对导热系数都有明显的影响。同时，导热系数一般随温度而变化，所以实验时对材料的成分，温度等都要一并记录。

根据装置，由傅立叶导热方程式可得：

2 Q

（2） R2 1

th

式中h为试样厚度，R为试样圆盘的半径，λ为试样的热导率，θ1，θ2分

别为稳态时试样上下平面（即加热铜盘和散热铜盘）的温度。

实验时，当传热达到稳态时，θ1和θ2的值将稳定不变，这时可以认为发热体C通过试样圆盘上平面传入热量的传热速率与由散热铜盘P向周围环境散热的散热速率相等。因此可通过散热铜盘P在稳定温度θ2时的散热速率求出传热速率ΔQ/Δt，方法如下：当读得稳态时的θ1，θ2后，将试样B盘抽去，让发热体C底部的加热铜盘与散热铜盘直接接触，使盘P的温度上升到高于稳态时的温度值十多度。再将发热体C移开，让散热铜盘自然冷却，每隔一定时间读一下散热铜盘的温度示值，求出铜盘在稳定温度θ2附近的冷却速率，

Q t

mc

S

t

2

冷却速率就是散热盘在 2时的散热速率。式中m、c分别为散热铜盘的质量和比热。

将上式代入（2）式，则得

mc

t

2

h1

2

1 2 R

考虑到加热铜盘移离后，在散热铜盘散热时，其表面全部暴露在空气中冷却，即其

散热面积为2 R2 2 Rh，而实验中通过加热达到稳态传热时，散热铜盘的上表面（面积为 R2）是被试样覆盖着的，散热铜盘的散热面积为 R2 2 Rh。基于物体的冷却速率与它的散热面积成正比，故需对

Q t

t

作如下修正，即

2

S

mC R2 2 RhmC R 2h 2

t t2R 2h2 R 2 Rh

式中R、h分别为散热铜盘的半径和厚度。

因

代入(2)式得

Q

t

Q/ t，

S

mC

R 2hh1

2 （3） t2R 2h 1 2 R

二、用稳态法测量良导体的实现

1、样品选择

由原理可知，使导体上下表面行成温差是测量热导率的关键，但是良导的体的导热性能很好，要使上下表面出现温差并不是简单的事，并且良导体还存在散热很快的问题，或造成一定相当大的误差。但是从理论的角度推测，理论上，用

稳态法测良导体的导热率是可行的，因为不管其导热性能再佳，仍然存在上下表面温差，即满足稳态法测量热导率的最根本的条件。于是在用铝作为良导体为代表的时候，为了让上下表面温差达到可测状态。我将铝做成圆柱状，并且高度达到10cm。并且采用精密度更优的温度计测量。为了减小散热，我将铝柱外套上泡沫隔层，以便得到更精确的铝柱自然冷却时温度随时间的变化数据。 2、实验仪器

FD-TC-B型热导率测定仪器装置，铝柱样品，铜加热盘B，铜散热盘P，支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器，塑料泡沫隔层。

图2 实验装置实物图

3、实验

加热盘的温度上升到设定温度值时，开始记录散热盘温度，可每隔1min记录一次，待在10min或更长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。按复位键停止加热，取走铝柱，调节3个螺钉使加热盘和散热盘接触良好，再设定温度到80℃，加快散热盘的温度上升，使散热盘温度上升到高于稳态时的θ2值20℃左右即可。移去加热盘，让散热圆盘在风扇作用下冷却，每隔一定温度记录一次散热盘的温度示值，由临近θ2值的温度数据中计算冷却速率。根据测量得到的稳态时的温度值计算冷却速率。

图3 降温速率曲线

计算得到降温速率为2.24K/s，将其它参数代入（3）式，计算得到金属铝的导热系数为217.7W/mK。

三、结论

本文中选择金属铝为研究对象，讨论了稳态法测量良导体的方法。设计了试验并测得金属铝的导热系数为217.7W/mK。

参考文献：

[1] 施卫. 大学物理实验教程[M]. 北京: 高等教育出版社.

[2] 胡清. 良导热体热导率的测定实验[J]. 实验科学与技术, 2005,(01).

[3] 宋学锋,宋昌盛,段家忯. 动态法测定良导体热导率的实验研究[J]. 物理实验, 2002,(09). [4] 夏樟根,朱莲根,乔卫平,王锦辉. 良导体热导率不同测量法的比较[J]. 物理实验, 2007,(08).

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/o681.html