学生物理实验报告金属材料杨氏模量的测定实验报告

浙江中医药大学学生物理实验报告实验名称 金属材料杨氏模量的测定 学 院 信息技术学院 专 业 医学信息工程 班 级 一班 报告人 学 号 同组人 学 号 同组人 学 号 同组人 学 号 理论课任课教师 实验课指导教师 实 验 日 期 2013年3月2日 报 告 日 期 2013年3月3日 实 验 成 绩 批 改 日 期 浙江中医药大学信息技术学院物理教研室实验目的1. 掌握不同长度测量器具的选择和使用，掌握光杠杆测微原理和调节方法；2. 掌握用拉伸法测定金属丝的杨氏模量；3. 学习误差分析，掌握误差均分原理，学习数据处理及测量最终结果的表述，掌握用作图法、逐差法处理数据。实验仪器 杨氏模量仪，光杠杆，读数望远镜，螺旋测微计，卷尺，标尺，钢丝，大砝码一套(每个砝码质量为1.0kg)。实验原理在外力作用下，固体材料所发生的形状变化称之为形变。形变分为弹性形变和范性形变。如果加在物体上的外力停止作用后，物体能完全恢复原状的形变称之为弹性形变；如果加在物体上的外力停止作用后，物体不能完全恢复原状的形变称之为范性形变。 在许多种不同的形变中，伸长（或缩短）形变是最简单、最普遍的形变之一。本实验是针对连续、均匀、各向同性的材料做成的丝，进行拉伸试验。设细丝的原长为L，横截面积为S，两端受拉力(或压力)F后，物体伸长(或缩短)L。单位长度的伸长量L/L称为应变，单位横截面积所承受的力F/S称为应力。根据胡克定律，在弹性限度内，应力与应变成正比关系，即 (3-1)式中比例系数E称为杨氏弹性模量，简称杨氏模量。实验证明，杨氏模量与外力F、物体的长度L和截面积S的大小无关，而只决定于物体的材料。杨氏模量是表征固体材料性质的一个重要物理量，是选定机械构件材料的依据之一。由3-1式得 (3-2)在国际单位制(SI)中，E的单位为Nm-2（或Pa）。实验中只要测出F、L、S和L，则就能算出细丝的杨氏模量。通常L量值很小，直接测量很难得出准确数值，故实验中，要用光杠杆将L予以放大，以便于测量。几种常用材料的杨氏弹性模量E值见表2-1。材料名称E（1011Pa）钢2.0铸铁1.15-1.60铜及其合金1.0铝及硬铝0.7表 3-1图 3-1应当指出，3-1只适用于材料弹性形变的情况，如果超出弹性限度，应变与应力的关系将是非线性的，图3-1表示合金钢和硬铝等材料的应力-应变曲线。图3-2 杨氏模量仪和光杠杆1横梁夹子 2夹子3光杠杆 4平台5砝码托 6水平调节螺旋 7望远境 8标尺杨氏模量仪如图3-2右边所示。在一较重的三脚底座上固定有两根立柱，在两立柱上装有可沿立柱上、下移动的横梁和平台，被测金属丝的上端夹紧在横梁夹子1中，下端夹紧在夹子2中，夹子2能在平台4的圆孔内上下自由运动。其下面有砝码托5，用以放置拉伸金属丝的砝码，当砝码托上增加或减少砝码时，金属丝将伸长或缩短L，夹子2也跟着下降或上升L，光杠杆3放在平台4上。图 3-3 光杠杆的放置光杠杆是利用放大法测量微小长度变化的常用仪器，有很高的灵敏度。结构如图3-2 (右上)所示，平面镜垂直装置在“T”形架上，“T”形架由构成等腰三角形的三个足尖A、B、C支撑，A足到B、C两足之间的垂直距离K可以调节，如图3-2(右下)所示。测量时光杠杆的放置如图3-3所示，将两前足B、C放在固定平台4前沿槽内，后足尖A搁在夹子2上，用图3-2左边的望远镜7及标尺8测量平面镜的角偏移就能求出金属丝的伸长量。其原理如图3-5所示，金属丝没有伸长时，平面镜垂直于平台，其法线为水平直线，望远镜水平地对准平面镜，从标尺r0处发出的光线经平面镜反射进入望远镜中，并与望远镜中的叉丝横线对准。当砝码托上加码后，金属丝受力而伸长L，夹子2跟着向下移动L，光杠杆足尖A也跟着向下移动L。这样，平面镜将以BC为轴，K为半径转过一个角度，镜面的法线也由水平位置转过角。由光的反射定律可知，这时从标尺r1处发出的光线(与水平线夹角为2)经平面镜反射进入望远镜中，并与叉丝横线对准，望远镜中两次读数之差lr1一r0, 由图可得： D为标尺与平面镜之间的距离。实际测量过程中，很小，所以 消去，得 (3-3)这样，通过平面镜的旋转和反射光线的变化就把微小位移L转化为容易观测的大位移l ，这与机械杠杆类似，所以把这种装置称为光杠杆。将3-3式代入3-2式，并利用S=2/4得 (3-4)本实验就是根据3-4式求出钢丝的杨氏模量E。3-4式即为利用光杠杆原理测定杨氏模量的关系式。图3-4 目镜观察像和光杠杆测量微小伸长的原理读数望远镜及标尺装置如图3-5所示。望远镜的构造如图3-6所示，主要由物镜、内调焦透镜、目镜和叉丝组成。物镜将物体发出的光线会聚成像，叉丝用作读数的标准，目镜用来观察像和叉丝，并对像和叉丝起放大作用。调节螺旋A，改变目镜与叉丝之间距离，可使叉丝成像清晰。调节安装在望远镜筒侧面的螺旋B，改变内调焦透镜与物镜之间的距离，可使标尺成像清晰。 1标尺支架锁紧旋钮2仰角微调螺钉3目镜旋钮4内调焦手轮5望远镜6望远镜锁紧手柄7毫米钢直尺8毫米尺支架9底座10光杠杆反射镜图3-5 读数望远镜结构及标尺实验步骤(1)把光杠杆放在纸上，使刀片BC和足尖A在纸上压出印痕，用细铅笔作A到BC的垂线，用卷尺量出A到BC的距离K； (2)观察杨氏模量仪平台上所附的水准仪，仔细调节杨氏模量仪底座上的水平调节螺旋6，使平台处于水平状态(即令水准仪上的气泡处于正中央)，以免夹子2在下降(或上升)时与外框发生摩擦，保证砝码的重力完全用来拉伸钢丝。然后在砝码托上加1.0kg砝码，将钢丝拉直(此重量不计在外力F内，认为F = 0)，用卷尺测出横梁夹子1上的紧固螺钉的下边缘与夹子2的上表面之间的钢丝长度，这就是钢丝的原长度L；再用螺旋测微计在钢丝的不同部位、不同方向测量5次直径d求其平均值和截面积S。 (3)把光杠杆放在平台上，转动平面镜，用目测初调节，使镜面与平台垂直。 (4)移动望远镜，使标尺与光杠杆平面镜之间的距离约为110cm。 (5)调节望远镜，使其光轴成水平状态，并使镜筒与平面镜等高。然后仔细调节望远镜和平面镜的方向，使得标尺经过平面镜反射后的像刚好处于望远镜的视场中。这一点初学者不易做到，下面介绍一种简便易行的调节方法：可令眼在望远镜目镜附近，不经过望远镜而直接观察平面镜，如在平面镜内看不到标尺的像，可稍微转动一下平面镜，使镜面法线严格成水平状态，倘仍观察不到，可将望远镜镜架左右稍微移动一下，总之应先用肉眼看到标尺的像，然后通过望远镜观察，一般均能看到标尺的像。此时像可能不太清晰，无法读数，可调节望远镜筒上的螺旋B，待标尺上的刻度和数字均很清晰后再螺旋A，使叉丝的像也很清晰，这时标尺的像可能又较模糊，应反复仔细地调节螺旋A、B，使标尺和叉丝的像同时清晰。 (6)为了保证标尺的像被平面镜水平地反射到望远镜中，应调整望远镜下面的螺旋以调节望远镜筒的倾角，使镜筒处于水平状态。必要时还应稍微转动一下小平面镜，使落在横叉丝上的标尺像的刻度r0，大体等于望远镜镜筒处的标尺刻度。 (7)为了消除弹性形变的滞后效应给测量带来的影响，故取相同荷重下增重和减重时两标尺读数，并取它们的平均值。为了拉直钢丝，先在砝码盘上放12kg砝码，然后逐渐增加砝码托上的砝码(加减砝码时应轻放轻取)，每次增加1kg，共加8次，记下望远镜中横叉丝处标尺像的刻度数r0、r1r7，共是8个读数；然后每次减去1kg砝码，记下对应的刻度数r7、r6r0，求出两组对应读数的平均值、，共得8个数据。 (8)为了充分利用实验数据，减小偶然误差，在函数间成线性关系的情况下，作等间隔测量，得一测量次数为偶数的测量列，为使每个测量值都起作用，将它们前后分成两组，、为一组，、为一组，求出，它们是拉力变化F 414kg时相应的标尺读数之差，求出它们的平均值。这种分组相减的方法叫做逐差法，在数据处理中被广泛应用。(9)用卷尺测出平面镜与标尺之间的距离D，测量时应注意使卷尺保持伸直水平状态。实验数据与结果1 用逐差法处理荷重钢丝伸长变化的数据。（本实验提供如下的示例数据表）次数荷重砝码质量（kg）标尺读数r（cm）荷重砝码相差4kg时的读数差l（cm）l的绝对误差（cm）F增加时F减小时平均值01r0=10.50r0=10.61=10.5551.2751.2051.2601.2951.2700.0050.0200.0100.0250.01512r1=10.18r1=10.14=10.18523r2=9.85r2=9.96=9.90534r3=9.56r3=9.67=9.61545r4=9.23r4=9.33=9.28056r5=8.91r5=8.96=8.93567r6=8.62r6=8.67=8.64578r7=8.32r7=8.32=8.3202 对D，K，L，的测量进行数据处理，计算它们的平均值、平均绝对误差。带测量次数D(cm)K(cm)L(cm)(mm)1129.001.986.030.01653.910.0540.6990.0092132.501.526.070.02453.820.0360.7050.00513131.000.026.050.00453.910.0540.7000.00014131.350.376.030.01653.750.1060.7060.00615131.050.076.050.00453.890.0340.6930.0069平均值130.980.7926.0460.012853.8560.5680.69990.003823 将上面所得各量的平均值代入3-4式，求出杨氏弹性模量的平均值（g=9.79m/s2）。4 试从3-4式中导出E的最大相对误差公式。 （3-5）各长度量的平均偏差值，与各量具的仪器误差值比较后，代入3-5式，计算值，写出各项大小并比较之，算出误差限，令。5 写出测量结果表达式 （Pa）6 用作图法处理数据将公式3-4中的l改写为，它相应于荷重为Fi时标尺的平均读数，则3-4式变为 （3-6）其中 （3-7）k为一常量。若以为纵坐标，Fi为横坐标，作图在弹性限度内为一直线，其斜率即为k，作图法求得的曲线具有平均的意义，所以从图中可得出平均斜率，即 （3-8）将代入3-7式，即可算出杨氏弹性模量的平均值。实验结果分析1、钢丝的两端一定要夹紧，一来减小系统误差，二来避免砝码加重后拉脱而砸坏实验装置。2、在测读伸长变化的整个过程中，不能碰动望远镜及其安放的桌子，否则重新开始测读。 3、被测钢丝一定要保持平直，以免将钢丝拉直的过程误测为伸长量，导致测量结果谬误。 4、增减砝码时要注意砝码的质量是否都是1kg，并且不能碰到光杠杆镜镜，且当钢丝稳定时读数。 5、望远镜有一定的调焦范围，不能过分用力拧动调焦旋钮。6、开始时注意望远镜与平面镜是否在同一条直线上，平面镜要注意垂直放置，视野半暗半明时调节平面镜。由实验数据计算得 =(1.604140.10050) *1011（Pa）教师评语