用拉伸法測金屬絲的楊氏模量(顯微鏡直讀法)-試驗報告(含數(shù)據(jù))

1、大學(xué)物理實驗講義實驗4.2.1 拉伸法測金屬絲的楊氏模量楊氏模量是描述固體材料抵抗形變能力的物理量，是工程技術(shù)上常用的參數(shù)，是工程技術(shù)人員選擇材料的重要依據(jù)之一。條形物體（如鋼絲）沿縱向的彈性模量叫楊氏模量。測量材料楊氏模量方法很多，其中最基本的方法有伸長法和彎曲法。伸長法一般采用拉伸法，其采用的具體測量方法有光杠桿放大法和顯微鏡直讀法；彎曲法包括靜態(tài)彎曲法和動態(tài)彎曲法。本實驗采用拉伸法當(dāng)中的顯微鏡直讀法?！緦嶒?zāi)康摹?. 熟悉米尺和千分尺的使用，掌握讀數(shù)顯微鏡的使用方法；2. 學(xué)習(xí)用逐差法處理數(shù)據(jù)；3. 了解CCD成像系統(tǒng)?！緦嶒瀮x器】YWC-III楊氏模量測定儀、鋼卷尺、千分尺、水準(zhǔn)儀和0

2、.1kg、0.2kg的砝碼若干。楊氏模量測定儀的結(jié)構(gòu)如圖4-2-1所示。 (a)學(xué)生實驗配置 (b)教學(xué)演示配置圖4-2-1楊氏模量測定儀1.金屬絲支架S為金屬絲支架，高約1.30m，可置于實驗桌上，支架頂端設(shè)有金屬絲夾持裝置，金屬絲長度可調(diào)，約77cm，金屬絲下端的夾持裝置連接一小方塊，方塊中部的平面上有細(xì)十字線供讀數(shù)用，小方塊下端附有砝碼盤。支架下方還有一鉗形平臺，設(shè)有限制小方塊轉(zhuǎn)動的裝置（未畫出），支架底腳螺絲可調(diào)。2.讀數(shù)顯微鏡讀數(shù)顯微鏡M用來觀測金屬絲下端小圓柱中部平面上細(xì)橫線位置及其變化，目鏡前方裝有分劃板，分劃板上有刻度，其刻度范圍0-8mm,分度值0.01mm，每隔1mm刻一數(shù)

3、字。H1為讀數(shù)顯微鏡支架。3.CCD成像、顯示系統(tǒng)（作為示教儀）CCD黑白攝像機：靈敏度：最低照度0.2Lux；CCD接在顯微鏡目鏡與電視顯示器上。H2為CCD黑白攝像機支架?！緦嶒炘怼课矬w在外力作用下，總會發(fā)生形變。當(dāng)形變不超過某一限度時，外力消失后形變隨之消失，這種形變稱為彈性形變。發(fā)生彈性形變時，物體內(nèi)部產(chǎn)生恢復(fù)原狀的內(nèi)應(yīng)力。本實驗中形變?yōu)槔煨巫?，即金屬絲僅發(fā)生軸向拉伸形變。設(shè)金屬絲長為L，橫截面積為S，沿長度方向受一外力F后金屬絲伸長L。單位橫截面積上的垂直作用力F/S稱為正應(yīng)力，金屬絲的相對伸長量L/L稱為線應(yīng)變。實驗結(jié)果表明：在彈性形變范圍內(nèi)，正應(yīng)力與線應(yīng)變成正比，即 (4-2

4、-1)式中的比例系數(shù)稱為楊氏模量,不同材料的Y值一般不同。從式4-2-1可以看出，當(dāng)單位橫截面上的外力一定時，相對伸長量愈大，則Y值愈小，亦即材料抵抗形變的能力愈小。式4-2-1中，外力F為所增加砝碼的重力，橫截面積S通過測鋼絲直徑d可計算出來，鋼絲長度L可用卷尺測量出來。鋼絲微小的形變量L的測量，本實驗采用讀數(shù)顯微鏡放大后直接測量。【實驗內(nèi)容】1.在砝碼盤上加一0.1kg砝碼，將鋼絲拉直(此砝碼質(zhì)量不計入拉力F之內(nèi))。調(diào)節(jié)楊氏模量測量架的底腳螺絲，借助水準(zhǔn)儀，將平臺調(diào)平。2.調(diào)節(jié)顯微鏡下的磁性表座到合適的位置，使顯微鏡光軸與金屬絲下端的夾持裝置上的白色小方塊垂直。3.調(diào)節(jié)顯微鏡基座上的前后調(diào)

5、節(jié)螺釘，直到能夠通過顯微鏡目鏡清晰的看到小方塊上的讀數(shù)基準(zhǔn)“十”字線；4.調(diào)節(jié)顯微鏡上的目鏡，直到能夠通過顯微鏡目鏡清晰的看到分劃板刻度線。5.顯微鏡的調(diào)節(jié)方法是：先調(diào)節(jié)基座上的左右調(diào)節(jié)螺釘，并配合轉(zhuǎn)動千分尺手輪，使得“十”字線的橫線位于分劃板雙橫線之間，并使分劃板上的“”形線中心與“十”字線中心重合。顯微鏡的讀法是，目鏡中分劃板標(biāo)尺讀數(shù)（毫米刻度，經(jīng)過了顯微鏡放大）加上千分尺讀數(shù)。6.每增加一個0.2kg砝碼，轉(zhuǎn)動千分尺手輪，使得“十”字線的橫線再次位于分劃板雙橫線之間，記下相應(yīng)讀數(shù)x，直到記錄8個數(shù)據(jù)。然后逐次減少砝碼，每減少1個砝碼，按本操作方式操作記下相應(yīng)讀數(shù)。7.用鋼卷尺測鋼絲長度L

6、一次；選鋼絲不同的位置用千分尺測3次直徑d(先檢查并記錄千分尺的零點誤差)。8.用逐差法處理數(shù)據(jù)，即將8個數(shù)據(jù)分成xa和xb兩組，對應(yīng)的相差4個砝碼的數(shù)據(jù)作差(n=4)，得出一組xi(i=1,2,3,4)，求出平均值。9.根據(jù)式4-2-1計算出金屬絲的楊氏模量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?！咀⒁馐马棥?. 加砝碼時，輕拿輕放；2. 讀數(shù)前，應(yīng)用手輕輕約束砝碼盤的振動，使標(biāo)尺數(shù)值靜止時再讀數(shù)；【數(shù)據(jù)記錄】砝碼質(zhì)量 表一：形變量的測量 砝碼數(shù)砝碼數(shù)(mm)平均值(mm)增加砝碼時標(biāo)尺讀數(shù)值(mm)減少砝碼時標(biāo)尺讀數(shù)值(mm)平均(mm)增加砝碼時標(biāo)尺讀數(shù)值(mm)減少砝碼時標(biāo)尺讀數(shù)值(mm)平均(mm)15263748表二：鋼絲直徑d和長度L的測量 測量次數(shù)di (mm) (mm)L (mm)123【數(shù)據(jù)處理】參考以下步驟：由：， 其中：， ， .計算1. =2. 計算的不確定度：標(biāo)準(zhǔn)偏差： ， 不確定度： ，y為讀數(shù)顯微鏡的誤差限值，y=0.005mm。3.計算Y的相對不確定度和總不確定度。，