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用拉伸法測量鋼絲楊氏模量的探究

時間:2023-05-01 01:34:57 論文范文 我要投稿
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用拉伸法測量鋼絲楊氏模量的探究

【摘要】本文采用拉伸法及光杠桿原理對直徑為0.02 厘米鋼絲的楊氏模量進行了測量。其中,光杠桿法是一種利用光學(xué)放大方法測量微小長度(物體微小位移)的裝置,它采用光學(xué)機制以光線來代替機械杠桿的長臂而實現(xiàn)間接放大測量,主要討論了對影響測量結(jié)果的可能因素和用逐差法減少相應(yīng)誤差的方法。測量結(jié)果為E =(2.41+0.10)×1011N/M2 。

用拉伸法測量鋼絲楊氏模量的探究

【關(guān)鍵詞】楊氏模量 拉伸法 光杠桿 逐差法

引言

楊氏模量又稱彈性系數(shù),是彈性材料的一種最重要、最具特征的力學(xué)性質(zhì),是衡量物體變形難易程度的量,用E表示。定義為理想材料在小形變時應(yīng)力與相應(yīng)的應(yīng)變之比。E以單位面積上承受的力表示。在比例極限內(nèi),應(yīng)力與材料相應(yīng)的應(yīng)變之比。根據(jù)不同的受力情況,分別有相應(yīng)的拉伸彈性模量(楊氏模量)、剪切彈性模量(剛性模量)、體積彈性模量等。它是一個材料常數(shù),表征材料抵抗彈性變形的能力,其數(shù)值大小反映該材料彈性變形的難易程度,也就是說其數(shù)值大小是反映材料抵抗形變的能力,因此是生產(chǎn),科研中選用合適材料的一個重要依據(jù),所以研究物質(zhì)的楊氏模量在實際生活中具有重要價值。

本論文主要討論的是用拉伸法測定一種鋼絲的楊氏模量,是對試樣直接加力下的形變來測量試樣的楊氏模量的。在實驗中 ,通過砝碼的增減來改變對試樣施加的拉力。在增加和減去砝碼的過程中,砝碼數(shù)相同時對應(yīng)的標(biāo)尺讀數(shù)往往是不一致的 ,在盡量消除和減小各方面的影響后 ,仍存在有規(guī)律的偏差。從原理上說,只要所加負載是一樣的 ,測得的微小變化值應(yīng)該是一致的,但是測量的結(jié)果卻存在偏差。本文就如何提高楊氏模量的測量精度,為什么會出現(xiàn)這種偏差進行了分析。該實驗原理直觀、設(shè)備簡單 ,測量方法、儀器調(diào)整、數(shù)據(jù)處理等方面都具有代表性。

1.測量原理

1.1 楊氏模量原理。

實驗中,我們測出拉力F,鋼絲長L、直徑d和微小伸長量△L,即可代入式(11-2)求得楊氏模量E. 因為△L不易測量,所以測量楊氏模量的裝置都是圍繞如何測量微小伸長量而設(shè)計的。本實驗利用光杠桿裝置去測量微小伸長量,拉力F用逐次增加砝碼的方式讀出,鋼絲長L用鋼卷尺測出,直徑d用螺旋測微計測出。

1.2 儀器裝置。

光杠桿法測量楊氏模量的儀器裝置由支架E,待測鋼絲L,固定平臺B,帶有平面發(fā)射鏡M的光杠桿,望遠鏡R和標(biāo)尺S構(gòu)成,如圖1所示。鋼絲L的上端固定于支架上的A點,下端夾在圓柱體C下面的螺旋夾上。圓柱體C隨著鋼絲的伸長或縮短可在固定平臺B中間的孔中上下自由移動。在砝碼重力F的作用下,鋼絲伸長 L,圓柱體也隨之下降△L。

1.3 光杠桿原理。

光杠桿裝置的原理圖如圖11-4所示。假設(shè)平面鏡的法線和望遠鏡的光軸在同一直線上,且望遠鏡光軸和刻度尺平面垂直,刻度尺上某一刻度發(fā)出的光線經(jīng)平面鏡反射進入望遠鏡,可在望遠鏡中十字交叉絲處讀出該刻度的像,設(shè)為a0,若光杠桿后足下移△L,即平面鏡繞兩前足轉(zhuǎn)過角度θ 時,平面鏡法線也將轉(zhuǎn)過角度θ,根據(jù)反射定律,反射線轉(zhuǎn)過的角度應(yīng)為2θ ,此時望遠鏡十字交叉絲應(yīng)對準(zhǔn)刻度尺上另一刻度的像,設(shè)為am。因為 L很小,且 L≤b, 也很小,故有

△ Lb=tanθ=θ

因am - a0 ≤ D,故有

am-a0D=tan2θ≈2θ

聯(lián)立兩式,消去θ ,有

2△ Lb=am-a0D

令△ a =am - a0 ,則有

△ L=b△a2D(11-3)

式中b為光杠桿后足尖到前兩足尖連線之間垂直距離,用米尺測出,D為光杠桿平面鏡到刻度尺之間的垂直距離,用鋼卷尺測出,為加砝碼前后刻度尺在平面鏡中的像移動的距離,通過望遠鏡中十字交叉絲可以讀出。這樣,楊氏模量的測量公式可以寫為

E=4FLπd2△ L=8mgLDπd2b△a (11-4)

式中,m為砝碼的質(zhì)量,g為重力加速度。

1.4 實驗方法簡單敘述。

實驗時,我們首先記錄未加砝碼時望遠鏡中十字交叉絲對準(zhǔn)刻度尺上一刻度的像a0 ,然后逐次增加0.3206kg砝碼,分別記錄各次交叉絲對準(zhǔn)刻度尺上某刻度的像 ,a1 , a2 ,… , a7,砝碼加到2.2442kg時,再逐次減少0.3206kg砝碼,分別記錄各次十字交叉絲對準(zhǔn)刻度尺上某刻度的像, …a′4,a′3,… ,a′0.求加砝碼相等時的各次記錄的平均值a0 ,a1 ,… ,再由逐差法求出m =4×0.320kg時△a的平均值△a △a=14∑30(ai+4-ai)

2.結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)分析。

2.2.1 用逐差法計算△a的平均值△a。

將同一負荷下標(biāo)尺讀數(shù)的平均值分為兩組a0,a1,a2,a3 和a4 ,a5,a6,a7,(a4-a0),(a5-a1),(a6-a2),(a7-a3) 則平均值為

△a=14∑30(ai+4-ai)

=14[(a4-a0)+(a5-a1)+(a6-a2)+(a7-a3)]

式中:△a相當(dāng)于每增加或減少4個法碼時,標(biāo)尺讀數(shù)變化的平均值。這種數(shù)據(jù)處理方法稱逐差法,其優(yōu)點:根據(jù)誤差理論,被測量本身的大小與結(jié)果的準(zhǔn)確度有關(guān),在觀察條件不變時,各次標(biāo)數(shù)ai 的誤差△ai 值變化不大,因而△a0-△a1a1-a0 約為△a0-△a4a4-a0 的4倍,故用逐差法可提高結(jié)果的準(zhǔn)確度。這樣做既充分利用了測量數(shù)據(jù),又保持了多次測量的優(yōu)點,減小了測量誤差。

2.2 楊氏模量的量子值。

數(shù)據(jù)代人場氏彈性模量計算公式

將上述數(shù)據(jù)代人E的不確定公式中得:

2.2.4 出現(xiàn)不確定度原因分析。

(1)加砝碼前,鋼絲沒有完全被拉直。

(2)鋼絲夾不能在圓孔中自由滑動。

(3)光杠桿放置不當(dāng),與平臺有摩擦。

(4)鋼絲夾不緊,導(dǎo)致增減砝碼時發(fā)生滑動。

(5)加減砝碼時用力過猛,使光杠桿移動。

(6)讀數(shù)時砝碼沒有完全靜止。

結(jié)束語:

光杠桿對微小伸長或微小轉(zhuǎn)角的反應(yīng)很靈敏,測量也很精確,在精密儀器中常有應(yīng)用,例如靈敏電流計﹑原子顯微鏡等儀器的主要組成部件之一就是極精細的光杠桿。從測量結(jié)果可以看出,用光杠桿法測量和用逐差法處理數(shù)據(jù),能使楊氏模量E的誤差值很小。這套把光學(xué)實驗與力學(xué)實驗結(jié)合起來的實驗方法,在學(xué)習(xí)中有利于提高學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰Γ欣谂囵B(yǎng)學(xué)生的操作技能及分析問題的能力,激發(fā)他們的想象力和實驗興趣。同時,由于楊氏模量是生產(chǎn),科研中選用合適材料的一個重要依據(jù),所以這套實驗方法在實際生活中也具有重要的應(yīng)用價值。

參考文獻

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