用拉伸法测金属丝的杨氏模量显微镜直读法试验报告含数据.docx
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用拉伸法测金属丝的杨氏模量显微镜直读法试验报告含数据
大学物理实验讲义
实验421拉伸法测金属丝的氏模量
氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的物理量,是工程技术上常用的参数,是工程技术人员选择材料的重要依据之一。
条形物体(如钢丝)沿纵向的弹性模量叫氏模量。
测量材料氏模量方法很多,其中最基本的方法有伸长法和弯曲法。
伸长法一般采用拉伸法,其采用的具体测量方法有光杠杆放大法和显微镜直读
法;弯曲法包括静态弯曲法和动态弯曲法。
本实验采用拉伸法当中的显微镜直读法。
【实验目的】
1.熟悉米尺和千分尺的使用,掌握读数显微镜的使用方法;
2.学习用逐差法处理数据;
3.了解CCD成像系统。
【实验仪器】
YWC-III氏模量测定仪、钢卷尺、千分尺、水准仪和0.1kg、0.2kg的砝码
若干。
氏模量测定仪的结构如图4-2-1所示
图4-2-1氏模量测定仪
1.金属丝支架
S为金属丝支架,高约1.30m,可置于实验桌上,支架顶端设有金属丝夹持装置,金属丝长度可调,约77cm金属丝下端的夹持装置连接一小方块,方块中部的平面上有细十字线供读数用,小方块下端附有砝码盘。
支架下方还有一钳形平台,设有限制小方块转动的装置(未画出),支架底脚螺丝可调。
2.读数显微镜
读数显微镜M用来观测金属丝下端小圆柱中部平面上细横线位置及其变化,
目镜前方装有分划板,分划板上有刻度,其刻度围0-8mm分度值0.01mm每隔
1mn刻一数字。
H为读数显微镜支架。
3.CCD成像、显示系统(作为示教仪)
CCD黑白摄像机:
灵敏度:
最低照度<0.2Lux;CCD接在显微镜目镜与电视显示器上。
H为CCD黑白摄像机支架。
【实验原理】
物体在外力作用下,总会发生形变。
当形变不超过某一限度时,外力消失后形变随之消失,这种形变称为弹性形变。
发生弹性形变时,物体部产生恢复原状的应力。
本实验中形变为拉伸形变,即金属丝仅发生轴向拉伸形变。
设金属丝长为L,横截面积为S,沿长度方向受一外力F后金属丝伸长△L。
单位横截面积
上的垂直作用力F/S称为正应力,金属丝的相对伸长量△L/L称为线应变。
实验结果表明:
在弹性形变围,正应力与线应变成正比,即
(4-2-1)
匸Y县
SL
式中的比例系数Y-F-S称为氏模量,不同材料的丫值一般不同。
从式LL
4-2-1可以看出,当单位横截面上的外力一定时,相对伸长量愈大,则丫值愈小,亦即材料抵抗形变的能力愈小。
式4-2-1中,外力F为所增加砝码的重力,横截面积S通过测钢丝直径d可计算出来,钢丝长度L可用卷尺测量出来。
钢丝微小的形变量△L的测量,本实验采用读数显微镜放大后直接测量。
【实验容】
1.在砝码盘上加一0.1kg砝码,将钢丝拉直(此砝码质量不计入拉力F之)。
调节氏模量测量架的底脚螺丝,借助水准仪,将平台调平。
2.调节显微镜下的磁性表座到合适的位置,使显微镜光轴与金属丝下端的夹持装置上的白色小方块垂直。
3.调节显微镜基座上的前后调节螺钉,直到能够通过显微镜目镜清晰的看到小方块上的读数基准“十”字线;
4.调节显微镜上的目镜,直到能够通过显微镜目镜清晰的看到分划板刻度线。
5.显微镜的调节方法是:
先调节基座上的左右调节螺钉,并配合转动千分尺手轮,使得“十”字线的横线位于分划板双横线之间,并使分划板上的“X”形线中心与“十”字线中心重合。
显微镜的读法是,目镜中分划板标尺读数(毫米刻度,经过了显微镜放大)加上千分尺读数。
6.每增加一个0.2kg砝码,转动千分尺手轮,使得“十”字线的横线再次位于分划板双横线之间,记下相应读数x,直到记录8个数据。
然后逐次减少砝码,每减少1个砝码,按本操作方式操作记下相应读数。
7.用钢卷尺测钢丝长度L一次;选钢丝不同的位置用千分尺测3次直径d(先检
查并记录千分尺的零点误差)
8.用逐差法处理数据,即将8个数据分成xa和Xb两组,对应的相差4个砝码的数据作差(n=4),得出一组△Xi(i=l,2,3,4),求出平均值匚。
9.根据式4-2-1计算出金属丝的氏模量,并进行数据处理。
【注意事项】
1.加砝码时,轻拿轻放;
2.读数前,应用手轻轻约束砝码盘的振动,使标尺数值静止时再读数;
【数据记录】
砝码质量m0.2kg
表一:
形变量的测量
砝码数
1
"尹0
砝码数
1
xb=2(xb1+xb2)
x
(mm)
Xb-Xa
平均值
(mm)
x
增加砝码时标尺读数值
(mm)xa1
减少砝码时标尺读数值
(mm)xa2
平均
(mm)
增加砝码时标尺读数值
(mm)xb1
减少砝码时标尺读数值
(mm)心
平均
(mm)
1
5
2
6
3
7
4
8
表二:
钢丝直径d和长度L的测量
测量次数
di(mm)
d(mm)
L(mm)
1
2
3
【数据处理】参考以下步骤:
由:
F
丫牛,其中:
Fmg,
_2
d
计算
1.Y=
2.计算
x的不确定度:
标准偏差:
S
6
(xx)2
i1
61
不确定度:
■S2x
△y为读数显微镜的误差限值,△y=0.005mm
3.计算丫的相对不确定度和总不确定度。
4.
△yYUr
5.结果表达:
丫丫Y
{Ur
【思考题】
1.思考本实验的设计思路、方法,你有什么好的改进建议,试简述
2.为什么钢丝直径要测多次,且应在不同位置测量?
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x,其中△d是千分尺的误差限值,△
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