彭玉峰 劉旭輝 李 浪 周文真 鄧志向

(湖南科技學(xué)院 電子工程系,湖南 永州 425199)

通常大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中對(duì)楊氏模量的測(cè)量都是采取拉伸法，利用光杠桿和尺度望遠(yuǎn)鏡來(lái)測(cè)量金屬鋼絲在受力后所產(chǎn)生的彈性形變。此法的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單明了，測(cè)量精度較高，有助于學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，但對(duì)光杠桿和尺度望遠(yuǎn)鏡的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不易掌握其要領(lǐng)。在具體實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，我們注意到了這一點(diǎn)，所以嘗試對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法進(jìn)行有效改進(jìn)，從而彌補(bǔ)原實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的不足。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量方法的改進(jìn)

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器及方法的缺陷，本實(shí)驗(yàn)中對(duì)楊氏模量測(cè)量?jī)x(包含光杠桿、尺度望遠(yuǎn)鏡等部分)及測(cè)量方法進(jìn)行改進(jìn)，如圖1所示。改進(jìn)如下：⑴對(duì)光杠桿部分進(jìn)行改進(jìn)(如圖1-a所示)，如：擰松光杠桿兩端的平面反射鏡鎖緊螺絲，取掉平面反射鏡，把激光筆固定在此位置，并且一定要注意激光筆的筆頭保持在原平面反射鏡鏡面的位置[1][2]；讓光杠桿兩前足尖a2、a3(是用鐵質(zhì)軟磁材料做成的)弱磁化[3]，可以使兩前足尖a2、a3由于有磁性的作用輕輕吸附在平臺(tái)的三角形凹槽內(nèi)而不易翻落下來(lái)。⑵在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中直接取消尺度望遠(yuǎn)鏡裝置(如圖1-b所示)，利用光杠桿上安裝的激光筆所發(fā)射的紅色激光束直接投射到前方特制有刻度的像屏上，在屏上記錄光點(diǎn)位置坐標(biāo)進(jìn)行相關(guān)測(cè)量。⑶將支架上端夾具中多余的金屬鋼絲直接繞在固定支架上端夾具平臺(tái)的鎖緊螺絲上[4]，以防止支架上端夾具中的金屬鋼絲在砝碼的拉伸下滑下來(lái)，從而影響金屬鋼絲實(shí)際伸長(zhǎng)量的測(cè)量。

圖1.金屬鋼絲楊氏模量?jī)?yōu)化測(cè)量原理圖

2 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析

2.1 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

按著前面所述內(nèi)容對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置和方法進(jìn)行改進(jìn)后再實(shí)驗(yàn)測(cè)量，將所測(cè)得數(shù)據(jù)記錄在表1、表2中。

表1 增減砝碼過(guò)程中標(biāo)尺讀數(shù)記錄（注明：?jiǎn)蝹€(gè)砝碼的質(zhì)量m1為0.360g）

表2 金屬鋼絲直徑d以及D、L、b的測(cè)量

2.2 數(shù)據(jù)分析

為減小實(shí)驗(yàn)誤差，一般采用逐差法來(lái)處理表1、表2中數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算可得[5]：

我們知道金屬鋼絲的楊氏模量在 20oC時(shí)的數(shù)值一般為[6]：。很顯然，改進(jìn)后所測(cè)得的楊氏模量Y在其范圍之內(nèi)，且標(biāo)準(zhǔn)偏差較小。在此不妨取作為真值的估計(jì)值，并以此計(jì)算其絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差：

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)楊氏模量的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法進(jìn)行改進(jìn)和完善是簡(jiǎn)單可行的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差為4.41%，基本符合實(shí)驗(yàn)測(cè)量實(shí)際，同時(shí)有效減小了儀器調(diào)試的難度，簡(jiǎn)化了測(cè)量的過(guò)程，提高了數(shù)據(jù)測(cè)量的精度，達(dá)到了對(duì)學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)的目的。

[1]侯春來(lái),陳子健,董軍軍.楊氏彈性模量測(cè)量?jī)x的改進(jìn)[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2013,(19)：87-92.

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[4]陳薇薇,劉艷鳳.拉伸法測(cè)量金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].牡丹江師范學(xué)院學(xué)報(bào),2007,(1)：13-14.

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[6]萬(wàn)志龍.利用螺旋測(cè)微器測(cè)量金屬絲的楊氏模量[J].德州學(xué)院學(xué)報(bào),2007,(6)：22-24.