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实验10杨氏模量的测定.docxVIP

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实验10杨氏模量的测定 实验10杨氏模量的测定 实验1 拉伸法测量杨氏模量 杨氏弹性模量(以下简称杨氏模量)是表征固体材料性质的重要的力学参量,它反映材料弹性形变的难易程度,在机械设计及材料性能研究中有着广泛的应用。其测量方法有静态拉伸法、悬臂梁法、简支梁法、共振法、脉冲波传输法,后两种方法测量精度较高;本实验采用静态拉伸法测量金属丝的杨氏模量,因涉及多个长度量的测量,需要研究不同测量对象如何选择不同的测量仪器。 1. 2. 3. 4. 学习用静态拉伸法测量金属丝的杨氏模量。 掌握钢卷尺、螺旋测微计和读数显微镜的使用。 学习用逐差法和作图法处理数据。 掌握不确定度的评定方法。 杨氏模量测量仪(包括砝码、待测金属丝)、螺旋测微计、钢卷尺、读数显微镜 1. 杨氏模量的定义 本实验讨论最简单的形变——拉伸形变,即棒状物体(或金属丝)仅受轴向外力作用后的伸长或缩短。按照胡克定律:在弹性限度内,弹性体的应力 F?L与应变成正比。 SL 设有一根原长为l,横截面积为S的金属丝(或金属棒),在外力F的作用下伸长了 ?L,则根据胡克定律有 ?E() (1-1) SL 式中的比例系数E称为杨氏模量,单位为Pa(或N·m –2)。实验证明,杨氏模量E与外力F、金属丝的长度L、横截面积S的大小无关,它只与制成金属丝的材料有关。 若金属丝的直径为d,则S??d,代入(1-1)式中可得 4FLE? (1-2) (1-2)式表明,在长度、直径和所加外力相同的情况下,杨氏模量大的金属丝伸长量较小, 杨氏模量小的金属丝伸长量较大。因此,杨氏模量反映了材料抵抗外力引起的拉伸(或压缩)形变的能力。实验中,测量出F、L、d、?L值就可以计算出金属丝的杨氏模量E。 2. 静态拉伸法的测量方法 测量金属丝的杨氏模量的方法就是将金属丝悬挂于支架上,上端固定,下端加砝码对金属丝F,测出金属丝的伸长量?L,即可求出E。金属丝长度L用钢卷尺测量,金属丝直径d用螺旋测微计测量,力F由砝码的重力F?mg求出。实验的主要问题是测准伸长量?L,伸长量一般很小,约10-1mm数量级,在本实验中用读数显微镜测量(也可利用光杠杆法或其他方法测量)。为了使测量?L更准确些,采用测量多个?L的方法以减少测量的随机误差,即在金属丝下端每加一个砝码测一次伸长位置,逐个累加砝码,逐次记录长度;通过逐差法(参考绪论)求出?L。考虑到读数显微镜物镜的放大倍率为X和砝码的重力F?mg,拉伸法测量杨氏模量的实验公式为 (1-3) 2 3. 测量结果的不确定度估计 根据间接测量量的不确定度合成法则(参考绪论),杨氏模量E的相对不确定度计算式为: uE?u??u??2u??u??u???m???L???d????L???X?E?m??L??d???L??X? 4. 对实验条件的分析(实验设计项目) 本实验利用显微镜测微小长度变化,根据(1-3)式测量金属丝的杨氏模量E,试分析测量时须满足哪些实验条件?有哪些因素将导致系统误差的产生?请读者根据实验要求,理论联系实际地讨论提高测量结果E的精确度的方法和途径。 1. 杨氏模量测量仪 杨氏模量测量仪的基本结构如图1-1所示。主要包括以下两部分: 金属丝支架和砝码:杨氏模量仪的底座是一个水平底座,四个角下都有螺旋底脚12,用于调节底座水平。在两根立柱之间有上下两个横梁。待测金属丝(长约80cm)的上端被上梁侧面的夹板1夹牢,下端用小夹板夹在连接方框上,方框下旋进一个螺钉吊起砝码盘7,框子的侧面固定一个十字叉丝板6,下梁一侧有连接框的防摆动装置,只需将两个螺丝5调到适当位置,就能够限制增减砝码引起的连接框的扭转和摆动。 读数显微镜装置:测微目镜和带有物镜的镜筒、磁性底座(带锁紧钮支架,支架纵向、横向、升降三个方向可微调)。 2. 测微目镜 测微目镜也称测微头,常作为精密光学仪器的附件,例如在内调焦平行光管和测角仪上均装有这种目镜;它也可单独使用,直接测量非定域干涉条纹的宽度或由光学系统所成实像的大小等。其主要特点是量程小(0~8mm),但准确度较高。 图1–1杨氏模量测量仪 1.上梁夹板 2.上梁水平调节镙钮 3.金属丝 4.立柱 5.防摆动装置调节镙钮 6.十字叉丝板 7.砝码盘 8.读数显微镜锁紧镙钮 9.读数显微镜 10.支架锁紧 镙钮 11.磁性底座 12.螺旋底脚 图1-2是测微目镜的结构示意图。目镜筒1与本体盒2相连,利用固定螺丝8和接头套筒7可将测微目镜固定在特定的支架上,亦可装在诸如内调焦平行光管

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