實驗7?? 用拉伸法測定金屬絲的楊氏彈性模量
教學(xué)內(nèi)容：1、講述“用拉伸法測定金屬絲的楊氏彈性模量”實驗的實驗原理
????????? 2、介紹實驗的操作要領(lǐng)、數(shù)據(jù)處理等
????????? 3、指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗操作、觀察實驗現(xiàn)象、測量并記錄實驗數(shù)據(jù)。
教學(xué)學(xué)時：3學(xué)時
教學(xué)目的：1、使學(xué)生了解“用拉伸法測定金屬絲的楊氏彈性模量”的實驗原理
?????????? 2、使學(xué)生學(xué)會用光杠桿法測量長度的微小變化量
?????????? 3、使學(xué)生掌握本實驗的儀器調(diào)節(jié)和實驗數(shù)據(jù)的測量
?????????? 4、使學(xué)生學(xué)會用逐差法處理實驗數(shù)據(jù)
教學(xué)重點、難點：
1、?光杠桿放大原理
2、?實驗儀器的調(diào)節(jié)
3、?逐差法處理實驗數(shù)據(jù)
教學(xué)方法、方式：講解、演示、學(xué)生操作教師指導(dǎo)。
教學(xué)過程：（引入、授課內(nèi)容、小結(jié)、作業(yè)布置等）
用拉伸法測定金屬絲的楊氏彈性模量
一、引入
楊氏彈性是描述固體材料抵抗形變的能力的物理量，它與固體材料的幾何尺寸無關(guān)，與外力大小無關(guān)，只決定于金屬材料的性質(zhì)，它的國際單位為：牛/米2（N/m2），它是表征固體材料性質(zhì)的重要物理量，是選擇固體材料的依據(jù)之一，是工程技術(shù)中常用的參數(shù)。楊氏彈性模量測量的常用方法：
1、萬能試驗機法：在萬能試驗機上做拉伸或壓縮試驗，自動記錄應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系圖線，從而計算出楊氏彈性模量。
2、靜態(tài)拉伸法（本實驗采用此法），它適用于有較大形變的固體和常溫下的測量，它的缺點是：①因為載荷大，加載速度慢，含有馳豫過程。所以它不能很真實地反映出材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。②對脆性材料不能用拉伸法測量；③不能測量材料在不同溫度下的楊氏彈性模量。
3、動態(tài)懸掛法：將試樣（圓棒或矩形棒）用兩根線懸掛起來并激發(fā)它作橫向振動。在一定條件下，試樣振動的固有頻率取決于它的幾何形狀、尺寸、質(zhì)量以及它的楊氏彈性模量，如果我們在實驗中測出了試樣在不同溫度下的固有頻率，就可以算出試樣在不同溫度下的楊氏彈性模量。此法克服了靜態(tài)拉伸法的缺點，具有實用價值，是國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一種測量方法。
本實驗學(xué)會用拉伸法測定金屬絲的楊氏彈性模量。
二、實驗原理
1、彈性形變：物理在外力作用下都要或多或少地發(fā)生形變。當(dāng)形變不超過某一限度時，撤走外力之后，形變能隨之消失。這種形變稱為彈性形變。
2、彈性形變類型：對固體來說，彈性形變可分為四種：①伸長或壓縮的形變（應(yīng)變）；②切向形變（切變）；③扭轉(zhuǎn)形變（扭變）；④彎曲形變。
3、基本原理（胡克定律）：一根粗細(xì)均勻的金屬絲，長度為L，截面積為S，將其上端固定，下端懸掛砝碼，于是，金屬絲受外力F作用而發(fā)生形變，伸長了 ，比值F/S是金屬絲單位面積上的作用力，稱為脅強（正應(yīng)力）；比值 /L是金屬絲的相對伸長，稱為脅變（線應(yīng)變）。根據(jù)虎克定律，金屬絲在彈性限度內(nèi)，它的脅強與脅變成正比，
即
式中比例系數(shù)Y就是楊氏彈性模量。
由于伸長量 的值很小，用一般量具不易測準(zhǔn)。本實驗采用光杠桿望遠(yuǎn)鏡尺組進(jìn)行放大測量（簡稱光杠桿放大法）。
一、?核心儀器介紹
光杠桿望遠(yuǎn)鏡尺組是利用杠桿原理將待測微小長度利用光學(xué)法先進(jìn)行放大，然后用普通工具（米尺）來測量的一套裝置。其參數(shù)為杠桿常數(shù)b（光杠桿的后尖足至兩前足連線的垂直距離），其放大原理參閱教材P61-P62，其放大倍數(shù)為
?—鋼絲伸長前后，望遠(yuǎn)鏡中讀數(shù)之差。
?—金屬絲實際伸長量。
??? b—光杠桿常數(shù)。
??? D—反射鏡面離標(biāo)尺的距離。
三、操作要領(lǐng)
外觀對準(zhǔn)→粗調(diào)找尺→細(xì)調(diào)對零
外觀對準(zhǔn)：將望遠(yuǎn)鏡尺組放在離光杠桿鏡面前方約1.5—2m處，望遠(yuǎn)鏡和光杠桿處于同一高度。調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡大致水平，光杠桿鏡面及標(biāo)尺大致鉛直。然后沿望遠(yuǎn)鏡筒方向觀察光杠桿鏡面，應(yīng)看到鏡面中有標(biāo)尺的象和觀察者的眼睛。如果沒有，可微動望遠(yuǎn)鏡尺組或光杠桿鏡面傾角，使來自標(biāo)尺的入射光線經(jīng)過光杠桿鏡面的反射，其反射光能射入望遠(yuǎn)鏡內(nèi)。
粗調(diào)找尺：先調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡目鏡，對十字叉絲進(jìn)行聚集。再調(diào)節(jié)物鏡焦距，使標(biāo)尺成象在十字叉絲平面上。這時從望遠(yuǎn)鏡內(nèi)觀察既能看清標(biāo)尺，又能看清十字叉絲。這一步，對初學(xué)者來說比較困難，往往出現(xiàn)：1、十字叉絲看不見或者很模糊，這是因為目鏡沒有調(diào)節(jié)好。2、在望遠(yuǎn)鏡中只看到杠桿鏡面而看不到標(biāo)尺的象。這是物鏡的焦距沒有調(diào)節(jié)好，應(yīng)使望遠(yuǎn)鏡聚集在2D遠(yuǎn)的地方。當(dāng)人眼上下移動時，物象與叉絲有相對移動，產(chǎn)生視差。這是因為目標(biāo)成象不在十字叉絲平面上，只要微微調(diào)節(jié)物鏡焦距，即能消除視差。
細(xì)調(diào)對零：仔細(xì)調(diào)節(jié)光杠桿小鏡的傾角以及標(biāo)尺的高度，使尺象的零線盡可能落在望遠(yuǎn)鏡十字叉絲的橫絲上。
實驗中注意：實驗測量中，發(fā)現(xiàn)增荷和減荷時讀數(shù)相關(guān)差較大，當(dāng)荷重按比例增加時，? 不按比例增加，應(yīng)找出原因，重新測量。這種情況可能發(fā)生的原因有：
1、?金屬絲不直，初始砝碼太輕，沒有把金屬絲完全拉直。
2、?楊氏彈性模量儀支柱不垂直，使金屬絲下端的夾頭不能在金屬框內(nèi)上下自由滑動，摩擦阻力太大。