?【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當于如今的初高中水平，其最大特點就是可用于“自學”。當然由于本書是大半個世紀前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學生直接拿來自學。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實的學酥重新自修以查漏補缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的注解。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學基礎(chǔ)自學內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學的一條龍數(shù)理化自學教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認為6677版不失為一套不錯的自學教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數(shù)理化自學叢書6677版』上傳成文字版。

第三章物體的熱膨脹

【山話||? 本系列專欄中的力單位達因等于10??牛頓；功的單位爾格等于10??焦耳；熱量的單位卡路里等于4.186焦耳。另外這套老教材中的力的單位常用公斤，如今是不允許的，力是不能使用公斤為單位的。】?

§3-6熱膨脹在技術(shù)上的意義

【01】從§3-3的表中我們看到，固體的線脹系數(shù)是非常小的，因而溫度改變時固體長度的變化也很小。但是，這種微小的膨脹現(xiàn)象卻會產(chǎn)生很大的作用力，以致使固體發(fā)生裂紋或破壞。例如，冬天將開水倒入厚的玻璃杯時，常常會引起杯子的破裂。這是由于玻璃的導(dǎo)熱性能差，它的內(nèi)壁受熱和膨脹得比外壁快，因面產(chǎn)生了很大的向外膨脹的力，使杯子破裂。

【02】我們已經(jīng)知道，1米長的鋼棒，當溫度升高40°C時，就會伸長到1.0005米。而實驗證明，如果要使這根橫截面是1厘米2、長是1.0005米的鋼棒縮短為1米，就要對它施加1000公斤的壓力。根據(jù)牛頓第三定律，這時鋼棒對阻礙它膨脹的物體所施加的力也是1000公斤。

【03】如果在工程技術(shù)上沒有考慮到固體膨脹時所產(chǎn)生的巨大的力，缺乏適當?shù)姆雷o措施，結(jié)果會使各種建筑物遭受嚴重的損壞。例如，鋪設(shè)鐵軌的時候，兩根鐵軌接頭的地方不是緊貼著的，而要留出一定的空隙（圖3·12）。這樣，受熱膨脹時，鐵軌還有伸長的余地。又如，長的橋梁只有一端固定，另一端是架在滾子上的（圖3·13），這樣就使得橋梁能夠圖3·13.鐵橋的一端支架在滾子上自由伸縮，從而不受到膨脹的影響，其他如電線都不是張得很緊的，這是為了避免在冬天被拉斷；蒸汽管道或煤氣管道上都裝有如圖3·14所示的伸縮管，導(dǎo)管在受熱伸長或冷卻縮短的時候，只改變伸縮管的彎曲程度，而不會影響其他的部分，這樣可以保護管道不致于受到損壞。

【04】在進行精密的量度時，必須考慮到熱脹冷縮的現(xiàn)象。在前面的例題中，我們已經(jīng)知道，如果量具（例如卡尺或刻度尺）本身的長度隨著溫度的改變而發(fā)生顯著的變化，那么用它來進行量度就達不到所需要的精確度。為了避免這種誤差，被量度的制品應(yīng)該在早一些的時候拿到進行量度的地方，使它們的溫度同量具相等。進行精密量度的各種量具，都要用膨脹系數(shù)極小的材料來制造。殷鋼就是一種線脹系數(shù)極小的材料（它的線脹系數(shù)是0.0000015/度）。

【05】從前面的表中可以看出，石英玻璃的線脹系數(shù)比殷鋼的還要小。因此，用石英玻璃制成的容器，在冷熱變化非常劇烈（例如把它燒紅以后立刻放入冷水里）的時侯，也不會破裂。正是因為這個緣故，需要經(jīng)受劇烈溫度變化的儀器常常用石英玻璃來制造。【山注||? 石英玻璃線脹系數(shù)0.5×10??/度，遠小于普通玻璃的0.4×10??~10??/度，因此普通玻璃杯不能忽冷忽熱。詳參物2-3-03第〖13〗段，傳送門CV24533726】

【06】各種建筑物、機器和儀器通常都是用不同的材料制成的。在選擇這些材料時必須考慮到使它們的線脹系數(shù)盡量相等。例如，焊接在電燈泡玻璃中的那部分金屬導(dǎo)線的線脹系數(shù)必須跟玻璃的相等【目前都用鐵和鎳的合金（稱為“假鉑”）來代替貴重的鉑】，這樣，當溫度發(fā)生變化時，金屬導(dǎo)線和玻璃之間的接合就不會松開，同時玻璃也不會被導(dǎo)線脹破。【山注||? 鉑絲線脹系數(shù)0.9×10??/度，與普通玻璃的0.4×10??~10??/度，大小相當。詳參物2-3-03第〖13〗段，傳送門CV24533726。并且除了此處提到的“假鉑”，還可使有“類鉑”，即含鎳46％、含碳0.15％的高鎳鋼，因為它的膨脹系數(shù)也與鉑、玻璃類似，故亦可熔焊到玻璃中，用作白熱電燈泡中鉑絲的代用品。】

【07】由于鐵和混凝土的線脹系數(shù)相等，所以在建筑物中廣泛地采用了鋼筋混凝土的構(gòu)件。當溫度改變時，在這種構(gòu)件中不會產(chǎn)生任何使建筑物變得不堅固的有害的作用力。

【08】另一方面，在工程技術(shù)上也常常利用固體的熱膨脹。例如，火車車輪的輪箍就是利用熱脹冷縮的原理裝在車輪上的，輪箍是用硬質(zhì)鋼材制成的，它的內(nèi)徑稍小于車輪的外徑。對輪箍進行加熱，使它膨脹后的內(nèi)徑大于車輪的外徑，然后再把車輪嵌進去。這樣，輪箍冷卻后就緊緊地箍在車輪上。輪箍磨損后需要掉換時，也是利用同樣的道理，先把輪箍加熱，再把它從車輪上取下來。

【09】前面提到的雙金屬片也是應(yīng)用熱膨脹現(xiàn)象的一個例子。這種雙金屬片在溫度改變時，自動地改變本身的形狀（圖3·4）。因此，利用它可以制成許多自動化的裝置和儀表。

(1)金屬溫度計

【10】這種儀器是一種呈弧形的雙金屬片（圖3·15），它的 A 端是固定的，B 端是自由的，雙金屬片的 B 端與指針 C 相聯(lián)接，當溫度改變時，雙金屬片伸長或更加彎曲，帶動指針偏轉(zhuǎn)。這種溫度計上的刻度跟普通溫度計一樣。如果在指針尖上聯(lián)接一支筆，那么它就能夠在紙上自動地記錄下溫度的變化。

【11】汽車的后面都裝有表示轉(zhuǎn)彎用的信號燈，這種信號燈也是利用雙金屬片的原理制成的（銅和殷鋼）。將它接通以后，信號燈就會產(chǎn)生有節(jié)奏的閃爍。

(2)溫度調(diào)節(jié)器

【12】這種儀器是用來保持恒定溫度的，圖3·16所表示的是一種溫度調(diào)節(jié)器的構(gòu)造原理。弧形的雙金屬片 C 在溫度改變時伸展或更加彎曲，在 C 的自由端固定一塊金屬板 M? 。當 C 伸展時，M 遇到接觸點 K；當 C 更加彎曲時，M 離開 K? 。如果把 M 和 K 串聯(lián)在電熱器的電路 AA? 中，那么 M 和 K 接觸時，電路接通，電熱器開始加熱，使雙金屬片 C 的溫度升高。當溫度達到某一定值時，由于 C 更加彎曲，M 離開 K，電路斷開，電熱器停止加熱。當溫度再一次降低時，C 又伸展使電路接通。這樣，就可以自動地保持恒定的溫度。

(3)鐘擺的補償裝置

【13】它是由三根黃銅棒和兩根放在它們中間的鋅棒組成（圖3·17）。溫度升高時，銅棒伸長，使擺錘下降，但同時鋅棒伸長，使擺錘上升。因此，溫度改變時，擺的周期仍保持不變。

習題3-6

1、為什么鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強度不受溫度變化的影響？

2、用于耐高溫的玻璃容器的器壁為什么一定要做得很薄？?

3、能不能用銅絲來代替電燈泡里的鐵鎳合金絲？（后者的膨脹系數(shù)和玻璃一樣）

4、在飛機引擎內(nèi)壓入襯套時，以往是將笨重的引擎外殼加熱，現(xiàn)在卻采用了一種更為簡便的方法。試根據(jù)學過的知識推想這種新方法的大致內(nèi)容。

5、為什么在用于精密測量的量具上都注有測量時的標準溫度？

6、在鋪水泥路面時，總是要將路面劃成一格一格，說明這種做法的用意何在。