金属丝杨氏模量的测定演示教学

1、物理实验报告杨氏模量的测定【实验名称】【实验目的】.掌握用光杠杆测量微小长度变化的原理和方法，了解其应用。.掌握各种长度测量工具的选择和使用。.学习用逐差法和作图法处理实验数据。【实验仪器】MYC-1型金属丝杨氏模量测定仪（一套）、钢卷尺、米尺、螺旋测微计、重垂、祛码等。【实验原理】一、杨氏弹性模量设金属丝的原长L,横截面积为S,沿长度方向施力F后，其长度改变AL,则金属丝单位面积上受到的垂直作用力F/S称为正应力，金属丝的相对伸长量AL/L称为线应变。实验结果指出，在弹性范围内，由胡克定律可知物体的正应力与线应变成正比，即(1)F SE 1ll比例系数E即为杨氏弹性模量。在它表征材料本身的性

2、质, 生一定的相对形变所需要的单位横截面积上的作用力也越大。卡，记为 Pa （iPa=iN/mi2； iGPa=109Pa）。本实验测量的是钢丝的杨氏弹性模量，如果钢丝直径为_ , 2c dS 二4(2)Y越大的材料，要使它发Y的国际单位制单位为帕斯d ,则可得钢丝横截面积S则（2）式可变为4FL(3)-d2L可见，只要测出式（3）中右边各量，就可计算出杨氏弹性模量。式中L（金属丝原长）可由米尺测量，d（钢丝直径），可用螺旋测微仪测量，F（外力）可由实验中钢丝下面悬挂的祛码的重力F=mg求出，而AL是一个微小长度变化（在此实验中，当L=lm时，F每变化1kg相应的AL约为0.3mm）。因此，本

3、实验利用光杠杆的光学放大作用实现对钢丝微小伸长量AL的间接测量。二、光杠杆测微小长度变化尺读望远镜和光杠杆组成如图2所示的测量系统。光杠杆系统是由光杠杆镜架与尺读望远镜组成的。光杠杆结构见图2（b）所示，它实际上是附有三个尖足的平面镜。三个尖足的边线为一等腰三角形。前两足刀口与平面镜在同一平面内（平面镜俯仰方位可调），后足在前两足刀口的中垂线上。尺读望远镜由一把竖立的毫米刻度尺和在尺旁的一个望远镜组成。1-金属丝2-光杠杆4-挂钩5-祛码6-三角底座7-标尺8-望远镜图1杨氏模量仪示意图（a）（b）图2光杠杆将光杠杆和望远镜按图2所示放置好，按仪器调节顺序调好全部装置后，就会在望远镜中看到经由

4、光杠杆平面镜反射的标尺像。设开始时，光杠杆的平面镜竖直，即镜面法线在水平位置，在望远镜中恰能看到望远镜处标尺刻度si的象。当挂上重物使细钢丝受力伸长后，光杠杆的后脚尖fi随之绕后脚尖f2f3下降AL,光杠杆平面镜转过一较小角度0,法线也转过同一角度0o根据反射定律，从si处发出的光经过平面镜反射到S2（也为标尺某一刻度）。由光路可逆性，从s2发出的光经平面镜反射后将进入望远镜中被观察到。望远记S2s1=An.由图2可知tanu=-b.：ntant1D式中，b为光杠杆常数（光杠杆后脚尖至前脚尖连线的垂直距离）；D为光杠杆镜面至尺读望远镜标尺的距离由于偏转角度e很小，即ALvvb,AnvvD,所以

5、近似地有土2则L=-b-,An（4）2D由上式可知，微小变化量AL可通过较易准确测量的b、D、An,间接求得。实验中取Db,光杠杆的作用是将微小长度变化AL放大为标尺上的相应位置变化2DAn,AL被放大了b倍。（注：实际实验中有两面镜子，故AL被放大了4D/b倍）将（3）、（4）两式代入（2）有8LD FE=2 x2二d b n(5)E。通过上式便可算出杨氏模量【实验内容及步骤】一、杨氏模量测定仪的调整.调节杨氏模量测定仪三角底座上的调整螺钉，使支架、细钢丝铅直，使平台水平。.将光杠杆放在平台上，两前脚放在平台前面的横槽中，后脚放在钢丝下端的夹头上适当位置，不能与钢丝接触，不要靠着圆孔边，也不

6、要放在夹缝中。二、光杠杆及望远镜镜尺组的调整.将望远镜放在离光杠杆镜面约为1.5-2.0m处，并使二者在同一高度。调整光杠杆镜面与平台面垂直，望远镜成水平，并与标尺竖直，望远镜应水平对准平面镜中部。.调整望远镜（1）移动标尺架和微调平面镜的仰角，及改变望远镜的倾角。使得通过望远镜筒上的准心往平面镜中观察，能看到标尺的像；（2）调整目镜至能看清镜筒中叉丝的像；（3）慢慢调整望远镜右侧物镜调焦旋钮直到能在望远镜中看见清晰的标尺像，并使望远镜中的标尺刻度线的像与叉丝水平线的像重合；（4）消除视差。眼睛在目镜处微微上下移动，如果叉丝的像与标尺刻度线的像出现相对位移，应重新微调目镜和物镜，直至消除为止。

7、.试加八个祛码，从望远镜中观察是否看到刻度（估计一下满负荷时标尺读数是否够用）若无，应将刻度尺上移至能看到刻度，调好后取下祛码。三、测量采用等增量测量法.加减祛码。先逐个加祛码，共八个。每加一个祛码（1kg）,记录一次标尺的位置ni；然后依次减祛码，每减一个祛码，记下相应的标尺位置n（所记小和ni分别应为偶数个）。.测钢丝原长L。用钢卷尺测出钢丝原长（两夹头之间部分）L。.测钢丝直径do在钢丝上选不同部位及方向，用螺旋测微计测出其直径d,重复测量五次，取平均值。.测量并计算D。用钢卷尺量出光杠杆镜镜面到望远镜附标尺的距离，作单次测量。.测量光杠杆常数bo取下光杠杆在展开的白纸上同时按下三个尖脚

8、的位置，用直尺作出光杠杆后脚尖到两前脚尖连线的垂线，再用千分尺测出bo【数据记录及处理.金属丝白原长L=37.40cm光杠杆常数b=4.480cmD=81.40cm.表1测钢丝直径数据表序号d上d中上d中d中下d下平均值d直径d/mm0.8000.7950.7980.7900.8000.797d=（d上+d中上+d中+d中下+d下）/5.表2记录加外力后标尺的读数次数拉力F(kg)标尺读数（mm）逐差（mm）ni加祛码减祛码nic=ni44一ni12.00n14.014.064.041.281.3123.00&4.324.414.371.291.3034.00n34.684.814.751.2

9、61.2645.00山5.015.145.071.211.1656.00n55.295.405.35Ci+Gci-67.00n65.615.735.67Icl=2ci=152874I78.00n75.946.076.0189.00n86.226.246.23其中A是每次加1kg祛码后标尺的读数，ni=）（ni+ni）（两者的平均）。2.用逐差法处理数据.本实验的直接测量量是等间距变化的多次测量，故采用逐差法处理数据。计算出每增加一个1kg的的变化量,计算公式为：E 二吗F 二d bCX 2。用逐差法处理数据如下:n8-n4=C4,n8-n4:=c4n7一期=C3,n7-二n6一1C2,n6-n2;=c2n5n1=C1,n5-n1二二C1将以上四个式子叠加并求平均值1.29C2C3C4c2c22C3 C32C4C42=15302=15201=-292则可得到-c1C二一c2C3C4二15