實(shí)驗(yàn)7?? 用拉伸法測(cè)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(cè)定金屬絲的楊氏彈性模量”實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理
????????? 2、介紹實(shí)驗(yàn)的操作要領(lǐng)、數(shù)據(jù)處理等
????????? 3、指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、測(cè)量并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
教學(xué)學(xué)時(shí)：3學(xué)時(shí)
教學(xué)目的：1、使學(xué)生了解“用拉伸法測(cè)定金屬絲的楊氏彈性模量”的實(shí)驗(yàn)原理
?????????? 2、使學(xué)生學(xué)會(huì)用光杠桿法測(cè)量長(zhǎng)度的微小變化量
?????????? 3、使學(xué)生掌握本實(shí)驗(yàn)的儀器調(diào)節(jié)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量
?????????? 4、使學(xué)生學(xué)會(huì)用逐差法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)：
1、?光杠桿放大原理
2、?實(shí)驗(yàn)儀器的調(diào)節(jié)
3、?逐差法處理實(shí)驗(yàn)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(cè)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(wú)關(guān)，與外力大小無(wú)關(guān)，只決定于金屬材料的性質(zhì)，它的國(guó)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(cè)量的常用方法：
1、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)法：在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上做拉伸或壓縮試驗(yàn)，自動(dòng)記錄應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系圖線，從而計(jì)算出楊氏彈性模量。
2、靜態(tài)拉伸法（本實(shí)驗(yàn)采用此法），它適用于有較大形變的固體和常溫下的測(cè)量，它的缺點(diǎn)是：①因?yàn)檩d荷大，加載速度慢，含有馳豫過程。所以它不能很真實(shí)地反映出材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。②對(duì)脆性材料不能用拉伸法測(cè)量；③不能測(cè)量材料在不同溫度下的楊氏彈性模量。
3、動(dòng)態(tài)懸掛法：將試樣（圓棒或矩形棒）用兩根線懸掛起來(lái)并激發(fā)它作橫向振動(dòng)。在一定條件下，試樣振動(dòng)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?cè)趯?shí)驗(yàn)中測(cè)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(diǎn)，具有實(shí)用價(jià)值，是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一種測(cè)量方法。
本實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)用拉伸法測(cè)定金屬絲的楊氏彈性模量。
二、實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(duì)固體來(lái)說(shuō)，彈性形變可分為四種：①伸長(zhǎng)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(zhǎng)度為L(zhǎng)，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(zhǎng)了 ，比值F/S是金屬絲單位面積上的作用力，稱為脅強(qiáng)（正應(yīng)力）；比值 /L是金屬絲的相對(duì)伸長(zhǎng)，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(qiáng)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(zhǎng)量 的值很小，用一般量具不易測(cè)準(zhǔn)。本實(shí)驗(yàn)采用光杠桿望遠(yuǎn)鏡尺組進(jìn)行放大測(cè)量（簡(jiǎn)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(cè)微小長(zhǎng)度利用光學(xué)法先進(jìn)行放大，然后用普通工具（米尺）來(lái)測(cè)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(zhǎng)前后，望遠(yuǎn)鏡中讀數(shù)之差。
?—金屬絲實(shí)際伸長(zhǎng)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(duì)準(zhǔn)→粗調(diào)找尺→細(xì)調(diào)對(duì)零
外觀對(duì)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(dòng)望遠(yuǎn)鏡尺組或光杠桿鏡面傾角，使來(lái)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(duì)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(shí)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(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)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?yàn)槟跨R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(dòng)時(shí)，物象與叉絲有相對(duì)移動(dòng)，產(chǎn)生視差。這是因?yàn)槟繕?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(duì)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(shí)驗(yàn)中注意：實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，發(fā)現(xiàn)增荷和減荷時(shí)讀數(shù)相關(guān)差較大，當(dāng)荷重按比例增加時(shí)，? 不按比例增加，應(yīng)找出原因，重新測(cè)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?jī)x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(dòng)，摩擦阻力太大。