【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。

第三章物体的热膨胀

【山话||  本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳。另外这套老教材中的力的单位常用公斤，如今是不允许的，力是不能使用公斤为单位的。】 

§3-6热膨胀在技术上的意义

【01】从§3-3的表中我们看到，固体的线胀系数是非常小的，因而温度改变时固体长度的变化也很小。但是，这种微小的膨胀现象却会产生很大的作用力，以致使固体发生裂纹或破坏。例如，冬天将开水倒入厚的玻璃杯时，常常会引起杯子的破裂。这是由于玻璃的导热性能差，它的内壁受热和膨胀得比外壁快，因面产生了很大的向外膨胀的力，使杯子破裂。

【02】我们已经知道，1米长的钢棒，当温度升高40°C时，就会伸长到1.0005米。而实验证明，如果要使这根横截面是1厘米²、长是1.0005米的钢棒缩短为1米，就要对它施加1000公斤的压力。根据牛顿第三定律，这时钢棒对阻碍它膨胀的物体所施加的力也是1000公斤。

【03】如果在工程技术上没有考虑到固体膨胀时所产生的巨大的力，缺乏适当的防护措施，结果会使各种建筑物遭受严重的损坏。例如，铺设铁轨的时候，两根铁轨接头的地方不是紧贴着的，而要留出一定的空隙（图3·12）。这样，受热膨胀时，铁轨还有伸长的余地。又如，长的桥梁只有一端固定，另一端是架在滚子上的（图3·13），这样就使得桥梁能够图3·13.铁桥的一端支架在滚子上自由伸缩，从而不受到膨胀的影响，其他如电线都不是张得很紧的，这是为了避免在冬天被拉断；蒸汽管道或煤气管道上都装有如图3·14所示的伸缩管，导管在受热伸长或冷却缩短的时候，只改变伸缩管的弯曲程度，而不会影响其他的部分，这样可以保护管道不致于受到损坏。

【04】在进行精密的量度时，必须考虑到热胀冷缩的现象。在前面的例题中，我们已经知道，如果量具（例如卡尺或刻度尺）本身的长度随着温度的改变而发生显著的变化，那么用它来进行量度就达不到所需要的精确度。为了避免这种误差，被量度的制品应该在早一些的时候拿到进行量度的地方，使它们的温度同量具相等。进行精密量度的各种量具，都要用膨胀系数极小的材料来制造。殷钢就是一种线胀系数极小的材料（它的线胀系数是0.0000015/度）。

【05】从前面的表中可以看出，石英玻璃的线胀系数比殷钢的还要小。因此，用石英玻璃制成的容器，在冷热变化非常剧烈（例如把它烧红以后立刻放入冷水里）的时侯，也不会破裂。正是因为这个缘故，需要经受剧烈温度变化的仪器常常用石英玻璃来制造。【山注||  石英玻璃线胀系数0.5×10⁻⁶/度，远小于普通玻璃的0.4×10⁻⁵~10⁻⁴/度，因此普通玻璃杯不能忽冷忽热。详参物2-3-03第〖13〗段，传送门CV24533726】

【06】各种建筑物、机器和仪器通常都是用不同的材料制成的。在选择这些材料时必须考虑到使它们的线胀系数尽量相等。例如，焊接在电灯泡玻璃中的那部分金属导线的线胀系数必须跟玻璃的相等【目前都用铁和镍的合金（称为“假铂”）来代替贵重的铂】，这样，当温度发生变化时，金属导线和玻璃之间的接合就不会松开，同时玻璃也不会被导线胀破。【山注||  铂丝线胀系数0.9×10⁻⁵/度，与普通玻璃的0.4×10⁻⁵~10⁻⁴/度，大小相当。详参物2-3-03第〖13〗段，传送门CV24533726。并且除了此处提到的“假铂”，还可使有“类铂”，即含镍46％、含碳0.15％的高镍钢，因为它的膨胀系数也与铂、玻璃类似，故亦可熔焊到玻璃中，用作白热电灯泡中铂丝的代用品。】

【07】由于铁和混凝土的线胀系数相等，所以在建筑物中广泛地采用了钢筋混凝土的构件。当温度改变时，在这种构件中不会产生任何使建筑物变得不坚固的有害的作用力。

【08】另一方面，在工程技术上也常常利用固体的热膨胀。例如，火车车轮的轮箍就是利用热胀冷缩的原理装在车轮上的，轮箍是用硬质钢材制成的，它的内径稍小于车轮的外径。对轮箍进行加热，使它膨胀后的内径大于车轮的外径，然后再把车轮嵌进去。这样，轮箍冷却后就紧紧地箍在车轮上。轮箍磨损后需要掉换时，也是利用同样的道理，先把轮箍加热，再把它从车轮上取下来。

【09】前面提到的双金属片也是应用热膨胀现象的一个例子。这种双金属片在温度改变时，自动地改变本身的形状（图3·4）。因此，利用它可以制成许多自动化的装置和仪表。

(1)金属温度计

【10】这种仪器是一种呈弧形的双金属片（图3·15），它的 A 端是固定的，B 端是自由的，双金属片的 B 端与指针 C 相联接，当温度改变时，双金属片伸长或更加弯曲，带动指针偏转。这种温度计上的刻度跟普通温度计一样。如果在指针尖上联接一支笔，那么它就能够在纸上自动地记录下温度的变化。

【11】汽车的后面都装有表示转弯用的信号灯，这种信号灯也是利用双金属片的原理制成的（铜和殷钢）。将它接通以后，信号灯就会产生有节奏的闪烁。

(2)温度调节器

【12】这种仪器是用来保持恒定温度的，图3·16所表示的是一种温度调节器的构造原理。弧形的双金属片 C 在温度改变时伸展或更加弯曲，在 C 的自由端固定一块金属板 M  。当 C 伸展时，M 遇到接触点 K；当 C 更加弯曲时，M 离开 K  。如果把 M 和 K 串联在电热器的电路 AA₁ 中，那么 M 和 K 接触时，电路接通，电热器开始加热，使双金属片 C 的温度升高。当温度达到某一定值时，由于 C 更加弯曲，M 离开 K，电路断开，电热器停止加热。当温度再一次降低时，C 又伸展使电路接通。这样，就可以自动地保持恒定的温度。

(3)钟摆的补偿装置

【13】它是由三根黄铜棒和两根放在它们中间的锌棒组成（图3·17）。温度升高时，铜棒伸长，使摆锤下降，但同时锌棒伸长，使摆锤上升。因此，温度改变时，摆的周期仍保持不变。

习题3-6

1、为什么钢筋混凝土结构的强度不受温度变化的影响？

2、用于耐高温的玻璃容器的器壁为什么一定要做得很薄？ 

3、能不能用铜丝来代替电灯泡里的铁镍合金丝？（后者的膨胀系数和玻璃一样）

4、在飞机引擎内压入衬套时，以往是将笨重的引擎外壳加热，现在却采用了一种更为简便的方法。试根据学过的知识推想这种新方法的大致内容。

5、为什么在用于精密测量的量具上都注有测量时的标准温度？

6、在铺水泥路面时，总是要将路面划成一格一格，说明这种做法的用意何在。