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CCD杨氏模量.doc
实验 用CCD测量杨氏弹性模量
材料受外力作用时必然发生形变,其内部胁强(单位面积上受力大小)和胁变(即相对形变)的比值称为弹性模量,这是衡量材料受力后形变大小的参数之一,是设计各种工程结构时选用材料的主要依据之一。
本实验测量康铜及钢丝的纵向弹性模量(也称杨氏模量)。实验中涉及较多长度量的测量,应根据不同测量对象,选择不同的测量仪器。如读数显微镜配以CCD成像系统测量钢丝微小的伸长量。
本实验采用逐差法处理数据
二、实验原理
设一根钢丝的截面积为A,原长为L,沿其长度方向加一拉力F后,钢丝的伸长量为△L。根据胡克定律,材料在弹性限度内胁强与胁变成正比:
(1)
式中的比例系数E称为该材料的杨氏模量。钢丝的截面积为,d为钢丝的直径。
因此 (2)
式中是一个很小的长度变化,可用读数显微镜配CCD(Charge Couple Device)进行直接测量。
三、实验仪器及装置
用伸长法测杨氏模量装置如图1所示,包聒以下几部分:
金属丝支架
S为金属丝支架,高约1.32m,可置于实验桌上,支架顶端设有金属丝悬挂装置,金属丝长度可调,约95cm,金属丝下端连接一小圆柱,圆柱中部方形窗中有细横线供读数用,小圆柱下端附有砝码托。支架下方还有一钳形平台,设有限制小圆柱转动的装置(未画出),支架底脚螺丝可调。
读数显微镜
读数显微镜M用来观测金属丝下端小圆柱中部方形窗中细横线位置及其变化,目镜前方装有分划板,分划板上有刻度,其刻度范围0~6mm,分度值0.01mm,每隔1mm刻一数字。H1为读数显微镜支架。
CCD成象、显示系统
CCD黑白摄像机:灵敏度:最低照≤0.2Lux;CCD专用12V直流电源。
黑白视频监视器:屏幕尺寸14寸,420线,
CCD摄像机支架H2;
四.实验内容 测量钢丝材料的杨氏模量。
认识和调节仪器
认识仪器。实验前,应该学习并掌握仪器的正确使用方法。
调节仪器。
调节支架S铅直(用底脚螺丝调节),使金属丝下端的小圆柱与钳形
的平台无摩擦地上下自由移动,旋转金属丝上端夹具,使圆柱两侧刻槽对准钳形平台两侧的限制圆柱转动的小螺丝;两侧同时对称地将旋转螺丝旋入刻槽中部,力求减小摩擦。
先调显微镜目镜用眼睛看到清晰的分划板象。再将物镜对准小圆柱平面中部,调节显微镜前后距离,然后微调显微镜旁螺丝直到看清小圆柱平面中部上细横刻线的象,并消除视差。(判断无视差的方法是当左右或上下稍微改变视线方向时,两个像之间没有相对移动,这是读数显微镜已调节好的标志。只有无视差的调焦,才能保证测量精度。
将CCD摄像机装上镜头,把视频电缆线的一端接摄像机的视频输出端子(Video out) in)”孔,并将直流电源和监视器分别接220V交流电源。仔细调整CCD位置及镜头焦距,直到监视器屏幕上看到清晰的图象。
观测伸长变化。为使砝码托平稳可在金属丝下端先加一块砝码,此时监视器屏幕上显示的小圆柱上的细横刻线指示的刻度为Y0,记录其数值,然后在砝码托盘上逐次加50g砝码,对应的读数为Yi(i=1,2,…10)并将两对应读数与求平均 。
用直尺测量金属丝长度L;用外径千分尺测量金属丝直径d(测10次),注意记下外径千分尺的零读数。
用逐差法对进行处理,计算及的值
由公式(2)及F=Mg(△M为砝码质量,由于采用逐差法,此处,,可得:
(3)
将测量结果与公认值进行比较。
(此钢丝的杨氏模量公认值20.0×1010N/m2)
五.使用注意事项
1. 实验前必须检查试样是否处于平直状态,如果有折或弯曲,须用木质螺丝刀柄的圆凹槽部位沿试样来回拉动,直至使试样平直后方进行实验。
2. 使用CCD摄像机时应注意:CCD不可正对太阳光、激光或其它强光源,CCD的12V直流电源不要随意用其它的电源替代,不要使CCD视频输出短路。防止震动、跌落。不要用手触摸CCD前表面,防止CCD过热,在测量间隙最好关闭电源。镜头和CCD接口螺丝较细密,旋转时要轻,镜头要防潮、防污染。
3. 使用监视器时应注意:防震并注意勿将水或油溅在屏幕上。
4. 注意维护金属丝平直状态,使用外径千分尺测量其直径时勿将它扭折。
六、实验数据例(仅供参考)
钢丝出厂标称直径
表1 钢丝直径测量
序号
直径 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均 d/mm 0.195 0.200 0.204 0.198 0.198 0.202 0.198 0.198 0.204 0.
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