拉伸法测杨氏模量的实验创新.doc

研究报告 大学物理实验 19 拉伸法测金属丝杨氏模量实验改进 徐涛 20100540136 10工1 摘要：试验书上的杨氏模量的测量在原理上比较简单，但是本实验对于杨氏模量测量方法比较复杂，而且在对于实验仪器的操作比较困难。因此，我想用一个比较简单的办法进行试验来测杨氏模量。本实验就是运用三角形相似原理，把钢丝的伸长量进行放大。此方法受限制小，仪器少，操作简单，而且能准确的测出杨氏模量。如果在已知杨氏模量是，把此试验反过来就能测量当地的重力加速度的大小，一套装置多种用途。 对杨氏模量的测量，实验书上采用拉伸法测量,这个方法原理比较简单，但是测量所使用的仪器比较难以校准调整，如果一不小心就会用很长时间来校准。比如我们那一组，在调节光杠杆时用了很长时间都无法在视野中看到标尺照明器上的刻度，这让我们很郁闷，后来发现我们看的是对面照明器上的刻度。于是我就想如何能让实验仪器简单一点，但是还能很好的测量呢？ 其实很容易，只需要将实验装置做一下改动就行了。在这个实验中，实验装置复杂，操作困难。尤其是光杠杆的使用上。这里的改动实验的中心原理基本不变。 实验目的：1、学会用静态拉伸法测定金属丝的杨氏模量。 2、学会多角度对实验创新。 3、学会用逐差法处理实验数据。 实验仪器：杨氏模量仪、硬质米尺、游标卡尺、螺旋测微器、砝码、微型激光发射器和钢丝。 实验原理：最简单的形变是棒状物体（或金属丝）受外力后的伸长与缩短。设以物体长为L，截面积为S。沿长度方向施力F后，物体的伸长（缩短）为△L。比值F/S是单位面积上的作用力，称为胁强，它决定了物体的形变；比值△L/L是物体的相对伸长，称为胁变，它表示物体形变的大小。按照胡克定律，在物体的限度内胁强与胁变成正比，其比例系数为 E=（F·L）/(△L·S). E称为杨氏模量，E的国际单位制是帕斯卡，记为Pa(1Pa=1N/m2). 根据上式，测出等号右边各量后，便可算出杨氏模量。其中，F、L和S可用一般的方法测得，唯有伸长量△L的值很小，用一般工具不易测量准确。因此我们用放大法来测定伸长量△L。 装置原理图如右图所示： N为在米尺上的读数，△L为钢丝伸长量即为 OE、FB，OC为激光器的长度，OF为激光器距离米 尺的距离。 A N F △L B E C N在米尺上读出，OC可以测出，根据三角形相似可以得到： △AFO与△OEC相似，AO/OC=AF/OE 因为AF和OF已知，根据直角三角形勾股定理可算出AO 这样OE可以算出来。 实验步骤： １　按照实验要求安装仪器，米尺必须保持与地面垂直，激光器必须与地面保持平行。（把光杠杆镜子改成激光发射器） ２　适当调整被测钢丝长度，使钢丝长度为Ｌ。 ３　二前尖脚放在工作台的横槽内，后面的主杆尖脚放在下夹头上，但是不与钢丝接触。调整激光发射器光点恰好垂直照在左边竖着的长米尺上。钢丝自然伸直。 ４　按顺序增加砝码，（每次增加１ｋｇ），观察长米尺上的刻度变化，并依次记下相应的刻度值。然后按相反次序将砝码取下，记录相应的米尺数值用逐差法算出△Ｌ的平均值。 ５　测量钢丝的长度Ｌ和激光器到长米尺的距离Ｄ，测量激光器两前脚中点与后脚的距离OC,用螺旋测微器测量钢丝的直径d,并计算其截面积 6 带入数据计算杨氏模量E. 注意事项： 1.长米尺必须与地面垂直，激光器发出射线必须与地面平行，且光点恰好垂直照在长米尺上。此为关键！ 2.后脚不能与钢丝接触。保持钢丝处于垂直状态。 3.尽量让钢丝不晃动。稳定后再读数。 此外，当知道钢丝的杨氏模量也可以测量当地的重力加速度。 方法很简单，因为已知杨氏模量的大小，用此试验装置得出的数据就可以反过来测重力加速度的大小。通过杨氏模量的公式我们可以得出F，砝码的质量已知，那就可以用F=ma，来计算a的大小，试验装置与测量杨氏模量的装置相同。 参考文献：王红梅.大学物理实验.北京: 人民邮电出版社 2010.10