拉伸法杨氏模量实验装置的改进.pdf

第 卷第 期大学物理实验.年 月 .收稿日期:基金项目:西华师范大学教育教学改革项目()通讯联系人文章编号:()拉伸法杨氏模量实验装置的改进徐佳丽代 伟张宇琪李万鑫杨 成张 欣(西华师范大学 物理与天文学院四川 南充)摘要:针对原有拉伸法杨氏模量测量装置的一些不足对大学物理实验中的拉伸法杨氏模量测量装置进行了改进 新设计的实验装置将整个仪器水平放置被测金属丝通过两个快速夹头固定利用定滑轮组使被测钢丝在滑轮上迂回缠绕增加被测金属丝的长度金属丝的伸长量用数字千分表直接测量 改进后的杨氏模量测量装置结构简单操作简便测量快速准确精度高使用效果好关键词:杨氏模量实验装置改进中图分类号:文献标志码:./.大学物理实验投稿网址:/.在物理实验装置中尤其是大学物理力学实验装置中经常要涉及测定金属丝的杨氏模量杨氏模量是表征在弹性限度内材料抗压和抗拉性能的重要物理量在工程技术中有着非常重要的意义 杨氏模量测量仪作为一种大学物理实验仪器主要供大专院校学生基础物理实验使用仪器主要用来测量被测金属丝的杨氏模量 的大小通过测得的杨氏模量大小可研究金属材料抵抗外力产生拉伸(或压缩)形变的能力 杨氏模量的测量方法比较多主要分为动态法和静态法 大学物理实验中一般用静态拉伸法测量杨氏模量因为静态拉伸法测量杨氏模量实验原理简单实验方法更加形象直观学生理解起来也比较容易所以用这种测量方法测杨氏模量在大学基础物理实验中很普遍 静态拉伸法测量杨氏模量其测量公式为:/根据测量公式静态拉伸法测量杨氏模量的实验中需要测量的物理量有金属丝的长度、横截面积 以及金属丝在力 作用下的伸长量 其中 和 的测量是实验的关键所在 但在已有的拉伸法测量杨氏模量实验装置中普遍存在被测钢丝长度 较短从而导致测量过程中 产生的变形量 过小测量产生的误差较大的现象 现有仪器中对被测钢丝变形量 大多采用光杠杆放大法测量也有采用 成像法进行测量.光杠杆放大以及 成像测量 装置都过于复杂测量精度也不高从而使测得的杨氏模量 误差较大.现有的拉伸法杨氏模量测量仪器大多竖直安放由于仪器摆在实验桌上加上仪器自身高度较高所以在实验中测量钢丝的长度就特别困难 为了克服现有一些静态拉伸法杨氏模量测量装置的不足许多同行都对此进行了大量研究在改进的实验装置中有将仪器安装在墙上采用倒挂的方式降低实验仪器高度将整个仪器水平放置便于测量钢丝长度和直径也便于更换钢丝将光杠杆去掉采用 成像的方式测量微小形变 尽管同行已经对拉伸法杨氏模量进行了一些改进但我们认为改进后的杨氏模量实验仪器仍有不足还有值得改进的地方 所以为了进一步简化静态拉伸法测量杨氏模量实验仪器结构降低仪器制造成本简化测量操作难度提高测量速度和测量精度设计一种新型杨氏模量测量仪还是非常必要的特别是在鼓励创新的今天对原有一些实验装置或仪器进行改进更是值得推广和鼓励 拉伸法杨氏模量测量原理胡克定律指出在弹性限度内弹性体的应力和应变成正比 设有一根长为 横截面积为 的钢丝在外力 作用下伸长了 则:()式中的比例系数 称为杨氏模量单位为/设实验中所用钢丝直径为 则 将此公式代入式()整理以后得:()式()表明要想准确测量杨氏模量 的大小提高测量精度实验中就要求被测钢丝的初始长度 越长越好因为 越长在钢丝直径 和所加外力 相同的情况下钢丝伸长量 就越大 越大测量中产生的误差就越小 另外从公式中知道钢丝直径 的测量对测量结果影响比较大所以实验中要用精度较高的螺旋千分尺进行测量 为了测量 方便用砝码的重力代替拉力测量更方便 拉伸法杨氏模量实验装置的改进图、图、图 分别是目前各高校普遍使用的顺挂式、倒挂式以及 成像静态拉伸法杨氏模量实验仪 针对三种杨氏模量实验仪都存在实验仪器竖直安放且自身高度较高的不足 新设计的实验装置是将整个仪器水平放置采取卧式的方式以降低整个实验仪器的高度这样就便于测量钢丝的直径和钢丝的长度 针对三种仪器都是将待测钢丝竖直悬挂实验中加减砝码时钢丝固定块很容易与侧壁产生摩擦以及在加减砝码时轻微的动作会造成待测钢丝晃动从而干扰观测、影响读数改进的方法是将加力砝码通过一个定滑轮后再将拉力传递给被测钢丝这样就可以克服以上不足 针对图 和图 两种仪器采用光杠杆测量金属丝的伸长量以及图 仪器采用 成像测量都存在测量过程中光路调节困难、所花时间较长、测量精度又不高的不足改进的方法是采取数字千分表直接测量金属丝的伸长量这样实验中就不需要进行复杂的光路调节同时测量精度也比上述三种仪器高 针对三种仪器待测钢丝的有效长度 都较短的不足改进的方法是采用定滑轮组将被测钢丝在定滑轮组上迂回缠绕这样就可以大大增加被测钢丝的有效长度 针对三种实验仪都存在一旦实验中钢丝被拉断更换钢丝困难的不足改进的办法是用快速夹头去夹持和固定钢丝这样可以大大节约更换钢丝的时间图 顺挂式杨氏模量仪图 倒挂式杨氏模量仪图 杨氏模量仪针对三种静态拉伸法杨氏模量测量装置的不足改进后的实验装置结构图如图 所示 实验装置包括底座、金属丝、定滑轮、水平仪、快速夹头、滑槽、推板、数字千分表、砝码盘等部件 制作时仪器底座可采用 厚的电工木板制作尺寸大约为 底座用四个调平螺丝支撑 六个塑料定滑轮均匀分布在底座的左右两边 被测金属丝的一端用一个快速夹头固定被测金属丝绕过定滑轮组后另一端用另外一个快速夹头固定 仪器左上角的快速夹头固定在仪器底座上另一个快速夹头和推板固定连接后安装在底座右下方的一个滑轨的滑槽上滑轨则安装在仪器底座上 滑槽上的推板在砝码拉力的作用下沿着滑槽可以推动数字千分表的测量杆移动 数大 学 物 理 实 验 年字千分表的支撑架安装在仪器底座上千分表的位置调整好后通过其支撑架上面的锁紧螺丝进行固定 仪器使用时首先通过四个支撑调节螺丝将仪器调水平在砝码盘上加一个砝码把钢丝拉直然后测出两个快速夹头之间金属丝的初始长度钢丝直径 实验中依次增加或减少砝码的个数通过数字千分表测出每改变一个砝码后金属丝的伸长量 最后利用公式()就可算出被测金属丝的杨氏模量 的大小 改进后的实验装置实物图如图 所示 图 为快速夹头实物图快速夹头可以在网上购买图 改进后的杨氏模量测量装置结构图图 改进后的杨氏模量测量装置实物图图 快速夹头图 为改进后的实验装置测量机构实物图测量机构包括一个滑轨滑轨的滑槽上安装有一个快速夹头和一个测量推板快速夹头和测量推板使用同一个底座并安装在滑轨的滑槽上推板和推板底座用亚克力板切割后用亚克力胶水黏接成一个整体 数字千分表的支架紧靠滑轨千分表的固定支架安装在仪器底座上调整好千分表的测量推杆和推板的距离后将千分表锁紧在固定支架上即可图 测量机构 金属丝杨氏模量测量.测量金属丝直径金属丝直径测量数据见表 表 金属丝直径测量测量次数钢丝直径/.测量金属丝初始长度金属丝初始长度先用细线比较出钢丝长度然后再用钢卷尺测量细线的长度即可测得金属丝的初始长度:(.)每个砝码的质量为.测量金属丝的伸长量金属丝伸长量测量数据见表 由表 中的 第 期徐佳丽等:拉伸法杨氏模量实验装置的改进数据可得测量结果为(.)表 金属丝伸长量测量/.注:为递增砝码时的读数为递减砝码时的读数().被测金属丝的杨氏模量金属丝的杨氏模量参考值一般在././实验中产生的误差一是由于定滑轮的数量较多会产生一定的摩擦阻力二是因为滑槽在滑轨中移动的时候也会产生一定的摩擦阻力三是钢丝在定滑轮之间迂回缠绕给钢丝长度的测量会带来一定的影响测出的钢丝长度会产生一定的误差 但从仪器最终的测量结果可以看出仪器测量产生的误差为.实验误差在允许的范围内说明此改进方案是可行的 改进后仪器的优点第一整个实验装置水平摆放采取卧式结构仪器结构紧凑在一般的实验桌上都能容易摆放克服了之前杨氏模量测量仪器竖直安放整个仪器太高的不足第二通过在仪器底座上均匀安装定滑轮组利用定滑轮只改变力的方向不改变力的大小的特点将被测钢丝在两个固定钢丝的快速夹头之间迂回缠绕这样就能大大增加被测金属丝的初始长度 改进后的实验仪能将被测金属丝的有效长度由原来的不到 米增加到现在的 米多在钢丝直径和所受拉力一定的情况下可大大增加被测钢丝的变形伸长量第三改进仪器不再用金属块夹持而是采用快速钻夹头来固定钢丝可实现测量钢丝的快速更换克服以往实验装置在实验中被测钢丝一旦被拉断撤换钢丝比较麻烦所花时间长的技术难题第四仪器水平摆放钢丝长度测量、直径测量伸长量测量以及被测钢丝更换操作起来都更加方便第五仪器在钢丝一端的滑槽上安装钢丝快速夹头和测量推板通过测量推板顶动数字千分表的测量推杆钢丝的变形伸长量直接使用数字千分表来测量 通过这样的设计使仪器的钢丝变形量测量装置结构简单同时还能保证测量精度更高可直接读数非常方便第六仪器使用中加减砝码时的拉力通过一个定滑轮来改变力的方向再将砝码盘竖直悬挂这样实验中需要通过加减砝码来改变钢丝的拉力时操作起来就非常方便也不会对千分表的测量读数产生什么影响 结 语新设计的杨氏模量实验装置将整个仪器水平放置通过快速夹头夹持钢丝一旦钢丝拉断撤换简便快速利用定滑轮组将被测金属丝在滑轮上迂回缠绕增加钢丝原始长度进而增加钢丝受力后的伸长量 钢丝伸长量可通过数字千分表测量精度高读数也方便 改进后的实验装置结构简单、操作简便、测量快速准确、使用效果好值得推广参考文献:张燕.基于 的拉伸法测量金属丝杨氏弹性模量实验数据处理.大学物理实验():.张明宪梁德富.倒挂式弹性模量测量仪.物理实验():.阿布来提阿布力孜阿合买提江买买提.杨氏模量教学实验的改进.大学物理实验():.宋伟林代伟张奕等.光的折射定律实验教具设计与制作.大学物理实验():.苏传鹏.杨氏弹性模量测定实验中的可忽略因素.天津教育学院学报():.骆敏黄嘉欣余观夏.拉伸法测量金属丝杨氏模量实验仪器的改进.大学物理实验():.(下转第 页)大 学 物 理 实 验 年.北京大学复旦大学.核物理实验.北京:原子能出版社.高等教育电子音像出版社有限公司.国家虚拟仿真实验教学课程共享平台/.().:/./.():.:(上接第 页)():.:第 期王 媛等:疫情环境下 在远程虚拟核实验中的应用