拉伸法测钢丝杨氏模量实验仪器的改进

2018-12-07 09:32梁小冲
实验科学与技术 2018年5期
关键词:夹头标尺杨氏模量

黄 菊,梁小冲

(1.四川大学 材料科学与工程学院,四川 成都 610065;2.四川大学 物理科学与技术学院,四川 成都 610065)

固体材料受力后发生形变,在弹性限度内,材料的正应力与相应的正应变之比是一个常数,这个常数叫杨氏模量。杨氏模量是描述材料弹性性质的基本力学参数之一。它描述材料抵抗形变能力的大小,与材料的结构、化学成分及制造方法有关,是工程技术中常用的力学参数之一[1-2]。测量杨氏模量有静力学拉伸法、弯曲法和动力学共振法。因为静力学拉伸法测量钢丝的杨氏模量需要综合运用多种测量长度的方法[3-5],该实验项目可以有效地强化学生的基础知识,提高学生的动手能力,因此被大多数高校选为物理实验中必做实验之一。

1 拉伸法测量钢丝杨氏模量的实验原理

当物体受到外力作用时,物体会发生形变,当外力撤销后物体的形变也会消失。如果物体可以完全恢复原状,把这种形变称为弹性形变。衡量材料的弹性,常用材料的 “模量”物理参数来描述[6-8]。而且对应不同的形变类型,定义了不同的模量,比如 “杨氏模量”用来表征线性材料沿其长度方向上的拉伸或压缩的弹性大小,常用E表示,可定义为:

式中,L为线性待测物体的原长,S为横截面积,在外力F作用下,其长度变化(伸长或缩短)为ΔL。虽然式(1)中钢丝的原长L、截面积S和钢丝所受的拉力F都容易测量,但是钢丝的长度伸缩量ΔL很小,不能用普通的长度测量仪器按常规方法直接测量,所以本实验采用光杠杆法测量微小长度变化,即把ΔL的微小变化通过光杠杆放大成Δx的变化进行测量[9]。

2 目前实验仪器存在的问题

主要存在以下4个方面问题。

1)本实验中钢丝杨氏模量测量式成立的条件是钢丝被拉长前、后光杠杆的臂长在垂直面上组成一个直角三角形,即要求夹头与测量平台平齐并且测量平台水平[10-11]。实验仪器如图1所示,通过调节图中的三个地脚螺钉来调节平台B的水平,进而保证测量平台A的水平。但是平台A与平台B并不一定水平,所以调节三个地脚螺钉只能调节钢丝的垂直度,并不能绝对保证测量平台A的水平。调节夹头与测量平台的平齐也只是靠感觉,并没有一个衡量标准,这样就会引入一定的误差。

图1 实验仪器调平装置

本文实验仪器均为10年前购买,很多地脚螺钉已经滑丝,无法调节,也很难对其进行维修。实验教学时,教师有时直接省去了调平操作的讲解,学生对这个实验就失去了调平的概念。

2)读数误差。利用望远镜记录标尺的读数变化时,因标尺刻度模糊不清或光线等原因会带来一定的读数误差。

3)实验中,在增减砝码时下夹头会随着钢丝晃动,导致下夹头上面的光杠杆会移位,这样也会给实验测量带来误差[12-13]。

4)实验中所用的砝码都有一个豁口,以便增减砝码。实验时,即使实验教师反复强调砝码要交错放置,但还是有个别学生不按照老师的要求放置砝码,导致加在仪器上的砝码很容易掉下来,砸伤实验者或者其周围的学生。

3 实验仪器的改进方案

为了保证测量平台的水平,重新设计一个测量平台,放在原测量平台之上,两个测量平台之间用一个支柱相连,支柱与下测量平台之间用弹簧相连,上下测量平台之间的间隙为1 cm;在下测量平台上打通三个螺纹洞,插入螺纹旋钉,螺纹旋钉的上端紧挨着上测量平台的下底面,光杠杆放在上测量平台上。下测量平台如图2所示,上测量平台如图3所示。

图2 下测量平台

图3 上测量平台

实验时,在上测量平台上放置一个水平仪,利用三个螺纹旋钉以及水平仪就可以调节测量平台的水平。

设上测量平台的厚度为a,下测量平台的厚度为b,在夹头顶端距下方a、a+1 cm、a+b+1 cm处分别刻上刻度线,调节这三处的刻度线分别与上测量平台的下底面、下测量平台的上底面、下测量平台的下底面相对齐,以此为参照就能保证夹头与测量平台的平齐。

为了提高读数精度,设计了一个具有发光功能的LED读数标尺,新标尺如图4所示,旧标尺如图5所示。

图4 新标尺

图5 旧标尺

新标尺的读数效果图如图6所示,旧标尺的读数效果图如图7所示。图6与图7是利用同一个望远镜,并都是在望远镜的视场调整为最佳状态下观测到的读数效果图。实验结果证明新标尺读数效果清晰的原因在于LED灯的辅助照明,与望远镜的调试无关。

图6 新标尺读数效果图

图7 旧标尺读数效果图

为了解决增减砝码时下夹头随着钢丝晃动而导致下夹头上面的光杠杆会移位的问题,本文在下夹头的适当位置处打一个大小、深度适中的小槽,让光杠杆的后支点刚好放在小槽里,这样就避免了光杠杆随着下夹头的晃动而移位。

为了避免学生被砝码砸伤,本文为实验仪器设计了一个保护盒,保护盒里面装有海绵,仪器支架底座的三个地脚螺丝可以穿过保护盒与地面直接接触,这样就可以避免砝码直接落地砸伤人。

改进后的实验仪器结构图如图8所示。

图8 改进后的仪器结构图

改进后的下夹头示意图如图9所示。

图9 下夹头示意图

图9 中,实验时把光杠杆的后支点放在标注1中,光杠杆就不会移位;调节下夹头的位置,让标注3、4、5分别与上测量平台的末端、下测量平台的顶端、下测量平台的末端对齐。

仪器保护盒示意图如图10所示。

图10 仪器保护盒示意图

在图10中,保护盒的深度、长宽适中,在保护盒里面装满海绵;支架底座的三个地脚螺丝穿过图中2,既不影响调节钢丝的垂直度,又可以保证砝码不会直接落在地上砸伤人。

4 结束语

针对目前钢丝杨氏模量实验仪器存在的问题做出了相应的改进,可以有效改善现有实验仪器的主要不足之处。设计新的调平平台以及下夹头不但在理论上减小了实验误差,最主要的是强化了学生调平的概念;利用新的标尺可以更加清晰、准确地读数;引入保护盒,可以避免学生被砸伤。相对于旧的实验仪器,改进后的实验仪不但可以减小误差还可以强化学生的调平概念。改进后的实验仪器成本低、教学效果好,极具推广价值。

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