물리학 실험 보고서_5-1 고체의 선팽창 계수 측정 예비 보고서_Ver3_200516_R0

1.실험 제목: 고체의 선팽창 계수

 

2.실험 목적: 선팽창 측정장치를 이용하여 몇 종류 금속 막대의 선팽창계수를 측정한다.

 

3.기구 장치

선팽창계수 측정 장치, 온도계, dail gauge(혹은 마이크로미터), boiler

 

4.이론

-선팽창

찌그러진 탁구공을 뜨거운 물 속에 넣으면 쉽게 펴진다. 잘 열리지 않는 병 뚜껑을 가열하면 쉽게 열 수 있다. 이런 생활의 경험들은 온도가 올라가면 물질이 팽창하는 성질을 이용한 것이다. 모든 물체는 대체로 온도가 올라가면 부피가 팽창하게 된다. 고체는 부피와 함께 길이, 면적도 팽창한다. 온도가 올라가면서 길이가 팽창하는 것을 선팽창, 부피가 팽창하는 것을 부피 팽창이라 하고 이들을 합해서 열팽창이라고 한다.

온도가 올라가면 열팽창하는 것은 분자 또는 원자들의 운동이 활발해져서 분자 또는 원자들의 평균 거리가 커지기 때문이다.

처음 길이가 l0인 고체 막대를 가열 하여 온도가

만큼 변했을 때 막대의 길이가 l 이 되었다. 이때 길이 l 은

 

이다. 이때 은 처음 길이에 비례하고 상승한 온도에 비례한다.

 

-이중 금속띠

놋쇠와 강철 조각으로 구성된 이중 금속띠(바이메탈)는 어떤 기준 온도에서 용접이 되어 있다. 기준 온도 이상이 되면 두 금속이 팽창하는 정도가 다르기 때문에 휘어진다. 기준 온도 이하에서는 반대쪽으로 휘어진다. 대부분의 온도 조절 장치는 이와 같은 원리를 이용하여 온도가 변함에 따라 전기적으로 접촉되거나 끊어지도록 고안되어 있다.

-부피팽창

고체가 선팽창하면 그 부피도 늘어난다. 늘어난 부피 는 온도의 변화량 와 원해의 부피에 비례하므로 다음과 같이 쓸수 있다.

여기서

를 부피 팽창 계수라 한다.

 

-선팽창계수와 부피 팽창계수와의 관계

어떤 온도에서 가로 세로 높이가 각각 a0, b0, c0인 물체의 온도가

만큼 올라갔을 때 각각의 길이 a,b,c는 다음과 같다.

그러므로 온도가 만큼 올라갔을 때의 부피는 다음과 같다.

 

처음 부피는 V0=a0b0c0이고 는 아주 작으므로 위의 식에서

 

그러므로

이다.

 

5.실험 방법

1) 상온에서의 고체 시료 길이를 줄자로 잰다.

2) 시료를 선팽창 측정장치에 장치한 후 온도계를 꽂고 상온을 잰다.

3) 다이알 게이지의 눈금을 0으로 맞춘다.

4) 가열기의 물을 3/2정도 되도록 채우고 그 뚜껑은 고무마개로 꼭 닫아둔다.

5) 가열기에 있는 고무 호스를 시료가 들어있는 관에 연결하고 아래 부분에는 비커를 대어 물이 흐르지 않도록한다.

6) 늘어난 시료의 길이와 온도의 차를 잰다.

7) 위의 실험을 반복한다.