拉伸法测金属杨氏模量实验的智能化设计

战丽波

（滨州医学院，山东 烟台 264003）

拉伸法测金属杨氏模量实验的智能化设计

战丽波

（滨州医学院，山东 烟台 264003）

针对医学院学生的特点，对传统的杨氏模量测量仪进行智能化的设计改进。该智能化设计能够有效解决传统的杨氏模量测定实验存在的调试难点，满足医学院学生的学习需求。

杨氏模量；光杠杆；智能化设计

杨氏模量反映了材料的弹性性质，表示材料变形的难易程度，弹性模量越大物体越不容易变形［1］。拉伸法测定金属杨氏模量实验是《医用物理学实验》中的一个经典的验证性实验［2］。在进行医学物理学的实验教学当中，我发现了学生在真正动手使用仪器测定金属丝杨氏模量的实验过程中存在的一些实际的操作问题。

而实际上对于理工科的学生而言，如何利用光杠杆找到标尺的像也是个调试难点。医学生在进行这项实验时更关注的是杨氏模量与医学的相关性，因此，针对医学生的特点，对实验器材进行了智能化的设计改进，提高了实验的可操作性和数据的精确性［4-5］。

1 光杠杆放大原理

光杠杆放大原理图［1］见图1，根据图中的几何关系可知

图1 光杠杆放大原理图

式中b是光杠杆前后足之间的距离，D是光杠杆镜面与直尺之间的距离［3］。

由于ΔL≪b，α很小，有tanα≈α，tan2α≈2α。所以

由式（1）、式（2）消去α，得:

式中d为金属丝的直径，F是一个砝码对应的拉力。

2 智能化实验设计及优点

2.1 智能化实验设计

针对以上出现的问题，我对普通的杨氏模量测量仪进行了智能化的设计。

如图2所示，将钢丝头固定板通过自带的夹紧螺栓固定在支架的顶端，将滑轮通过可调节装置固定在支架的底部，取一段长度为支架长度0.5～0.7倍的待测钢丝，在其一段打结，另一端穿过光杠杆装置连接到经过校验的拉力计上。再取一段长度1.5 m左右的钢丝，其一段固定在拉力器的另一端，穿过滑轮，将钢丝的另一端固定在手动齿轮拉紧装置上。调整滑轮的位置，使待测钢丝竖直，转动拉紧装置，使待测钢丝拉紧，记录下来拉力计的读数。然后调整光杠杆装置，使位于光杠杆上的激光发生器水平。调整基准激光发生器的高度，使两个激光发生器处于同一高度，并使发出的直径为0.5 mm的激光照到竖直放置的直尺的统一高度上。调整CCD镜头，使其对准竖直放置的直尺，清晰的读出激光发生器照在直尺上的位置。通过电脑应用软件，CCD镜头照片在电脑中显示出来，并可以读取数据。转动拉紧装置，通过对钢丝施加不同的拉力F，从计算机中读取待测钢丝的形变量ΔL，再用螺旋测微器测出钢丝的直径d，用米尺测出L（钢丝头固定板与光杠杆在钢丝绳上的连接点的距离），将其输入到计算软件中，系统即可自动求出杨氏模量y.

图2 智能杨氏模量测量仪

2.2 智能化实验设计的优点

（1）拉力计、拉力器、手动齿轮拉紧装置的组合设计，使得测量过程中不再需要大量砝码，通过拉力计读取拉力，节省了实验室空间与读数时间，增强了实验的安全性。

（2）将传统的望远镜、镜子、砝码取消，改用两个激光发生器、CCD镜头，从而使实验过程中寻找标尺的反射像这个最大的操作难点被彻底消除，增强实验的直观性和可操作性。

（3）电脑显示器和拉紧装置放置在同一侧，操作者不需要来回走动，消除了实验室的拥挤混乱情况。

（4）通过计算机影像处理，消除测量过程中人为因素的影响，使得读取的数据更加准确。通过软件程序设计，避免了得大量的计算过程，提高了数据的准确性，减少了误差。

3 结 论

通过对传统杨氏模量测定仪进行的智能化设计改进，使仪器的调整更加方便，简化了测量过程，实验的可操作性大大增强，实验过程更加直观形象。同时，激光发生器、CCD镜头的使用实现了测量的自动化和实时化，大幅度提高了测量数据的精确性。

［1］ 胡新珉.医用物理学［M］.北京:人民卫生出版社，2008:21.

［2］ 陈月明.医用物理学实验［M］.北京:安徽大学出版社，2010:80.

［3］ 甘平.医用物理学实验［M］.北京:科学出版社，2008:106.

［4］ 穆晓东，耿雷.游标卡尺在测定金属杨化模量中的应用［J］.大学物理实验，2013（4）:63-64.

An Intelligent Design on the Experiment of Measuring Young's Module by Stretching

ZHAN Li-bo
（Binzhou Medical College，Shandong Yantai 264003）

We give intelligent designs on the experiment of measuring young's module by stretching，especially for medical students.The intelligent designs simplify the measuring process，so the experiment is more visual and convenience than the conventional experiment.The automation and real-time transformation are achieved and the effect due to the artificial factors in the measurement is eliminated.Then the degree of precision is increased greatly.The intelligent designs can effectively solve the difficulties in the traditional experiment and meet the learning needs of medical students.

Young's modulus；optical lever；intelligent design

O4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.01.002

1007-2934（2015）01-0005-02

2014-06-19