拉伸法測(cè)金屬絲楊氏模量實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

蔡莉莉，王會(huì)彬

(1.華北科技學(xué)院，河北 廊坊 065201;2.中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 廊坊 065201)

楊氏模量是表征固體材料彈性形變性質(zhì)的基本力學(xué)參數(shù)，反映了材料抵抗外力產(chǎn)生拉伸(或壓縮)形變的能力，是工程技術(shù)中機(jī)械構(gòu)件選材時(shí)的重要參數(shù)之一［1］。目前測(cè)定楊氏模量的方法有多種，絲狀試件常采用縱向拉伸的方法，板狀、棒狀等幾何尺寸較大的試件可采用彎曲法、動(dòng)態(tài)法等測(cè)量方法［2］，其中靜態(tài)拉伸法測(cè)量金屬絲的楊氏模量是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中比較經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，是理工科類(lèi)院校物理實(shí)驗(yàn)中必做的實(shí)驗(yàn)之一，其中蘊(yùn)涵著一系列物理實(shí)驗(yàn)基本思想和方法，在實(shí)驗(yàn)室施加的外力使金屬絲產(chǎn)生的形變相當(dāng)微小，難以用肉眼觀察，同時(shí)過(guò)大的載荷又會(huì)使得金屬絲發(fā)生塑形變形［3］，所以要通過(guò)將微小變形放大的方法來(lái)測(cè)量，通過(guò)光杠桿將外力產(chǎn)生的微小位移放大，從而測(cè)量出金屬絲的楊氏模量。但在現(xiàn)用的楊氏模量測(cè)定儀中大都存在一些問(wèn)題，諸如安裝砝碼造成金屬絲晃動(dòng)，干擾觀測(cè)讀數(shù)，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡找到光杠桿鏡中標(biāo)尺的像比較困難，光杠桿鏡易碰下來(lái)打破鏡子等問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題，對(duì)原有的楊氏模量測(cè)定裝置進(jìn)行了改進(jìn)，取得了良好的效果。

1 楊氏模量測(cè)量原理

物體受到外力作用時(shí)要發(fā)生形變，撤除外力后物體的形變隨之消失，物體完全恢復(fù)原狀的形變，稱為彈性形變。在彈性限度內(nèi)，材料的脅強(qiáng)和脅變(即相對(duì)形變)之比為一變數(shù)，叫彈性模量［4］。條形物體(如金屬絲)沿縱向的彈性模量叫楊氏模量。

設(shè)一根長(zhǎng)為L(zhǎng)，橫截面積為S的均勻直金屬鋼絲，在受到沿長(zhǎng)度方向的外力F=mg的作用下伸長(zhǎng)了ΔL。把單位截面積上所受的作用力稱為應(yīng)力(或稱脅強(qiáng))，應(yīng)力決定了材料的相對(duì)形變，單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)稱為應(yīng)變(或稱脅變)，應(yīng)變表示材料相對(duì)變形值［5］。根據(jù)胡克定律在彈性限度內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即

其中Y是楊氏模量，僅決定于材料本身性質(zhì)，是表征固體性質(zhì)的一個(gè)物理量。

在(1)式右邊各個(gè)量中，唯有ΔL用一般長(zhǎng)度量具無(wú)法測(cè)量(如一根長(zhǎng)約1 m的鋼絲，在外力作用下產(chǎn)生微小伸長(zhǎng)，約0.2 mm的數(shù)量級(jí))，因此，該實(shí)驗(yàn)測(cè)量的關(guān)鍵在于用光杠桿原理測(cè)量微小長(zhǎng)度ΔL。

2 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀存在的問(wèn)題

現(xiàn)有楊氏模量測(cè)定儀主要由測(cè)定儀支架和望遠(yuǎn)鏡兩部分組成，測(cè)定儀支架如圖1所示，由三個(gè)支腳和兩根實(shí)心鋼桿組成支架，支架頂部通過(guò)一個(gè)螺絲夾A固定著所測(cè)金屬絲的一端，固定金屬絲另一端的螺絲夾B位于支架中下部的平臺(tái)的中心孔中，其下部有吊鉤，懸掛著砝碼盤(pán)。光杠桿系統(tǒng)中的平面反射鏡G的前足放置在平臺(tái)C上，后足放置在螺絲夾B上端的平面上。當(dāng)在砝碼盤(pán)中增加砝碼時(shí)，金屬絲被拉伸，造成金屬絲長(zhǎng)度的變化，同時(shí)引起平面反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，法線角改變，根據(jù)光的反射定律，通過(guò)望遠(yuǎn)鏡直尺組(如圖2)觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡中標(biāo)尺的讀數(shù)變化，測(cè)算出金屬絲長(zhǎng)度的改變量，從而求出金屬絲的微小伸長(zhǎng)量。

對(duì)于微小位移的測(cè)量，該方法構(gòu)思巧妙，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)綜合能力提高有較大幫助，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在以下問(wèn)題:

圖1 原有楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀支架

(1)圖1測(cè)試支架中安裝下沉砝碼結(jié)構(gòu)是一個(gè)倒過(guò)來(lái)的“T”型形狀，并沒(méi)有其它輔助結(jié)構(gòu)功能，在T型座上增減砝碼時(shí)會(huì)引起砝碼盤(pán)和金屬絲明顯擺動(dòng)和上下震動(dòng)，直接影響到測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性和重復(fù)性，另外當(dāng)增加砝碼數(shù)量較多時(shí)，砝碼還會(huì)出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，造成意外砸傷學(xué)生等不安全事故。

圖2 望遠(yuǎn)鏡直尺組

(2)圖2中所用的望遠(yuǎn)鏡的視角較小，要調(diào)整光杠桿鏡面法線與望遠(yuǎn)鏡光軸重合，觀察由光杠桿的鏡面所反射的標(biāo)尺的像需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)將大部分精力放在調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡上，而忽視了實(shí)驗(yàn)的其它環(huán)節(jié)。

(3)圖1中的光杠桿G為分立部件，穩(wěn)定性較差，沒(méi)有采取任何固定措施，調(diào)試時(shí)稍有不慎會(huì)使光杠桿鏡面偏移甚至從平臺(tái)上翻落掉地，實(shí)驗(yàn)裝置必須重新調(diào)整，使實(shí)驗(yàn)受到影響。

圖3 改進(jìn)后楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀支架

3 實(shí)驗(yàn)儀的改進(jìn)方法

為了解決上述問(wèn)題，需要對(duì)測(cè)定儀支架、望遠(yuǎn)鏡及光杠桿分別做以下改進(jìn)措施:

(1)改進(jìn)后的楊氏模量測(cè)定儀支架如圖3所示，由底座、固定支柱、中橫梁、上橫梁、鎖緊總成、鋼絲、鎖緊手柄、砝碼、定位滑桿及定位套組成。對(duì)原有儀器的改進(jìn)主要是在底座上設(shè)計(jì)了定位孔和垂直定位套，將定位套安裝在底座的定位孔上，定位套與被測(cè)試的鋼絲同心并且垂直。另設(shè)計(jì)一個(gè)定位滑桿，其一端光潔度很高，將此端插入定位套孔內(nèi)，定位滑桿與定位套上下有很長(zhǎng)的自由行程，滑桿可以在定位套內(nèi)無(wú)摩擦的自由移動(dòng)。另外在滑桿的中間部位設(shè)計(jì)有“山”字型凹槽結(jié)構(gòu)的裝置，在砝碼安裝槽中心180度對(duì)面設(shè)計(jì)有一定寬度的開(kāi)口槽，此槽是為方便安裝或取出砝碼。山字型凸出的中心桿上端有中心孔，將被測(cè)試鋼絲下垂端插入中心桿上端的孔里，在中心桿90度方向(圖3)設(shè)有一鎖緊手柄即可固定金屬絲。當(dāng)在砝碼安裝槽里安裝上砝碼后，定位滑桿通過(guò)砝碼的重量可在定位套內(nèi)上下垂直運(yùn)動(dòng)。此結(jié)構(gòu)中定位滑桿的設(shè)計(jì)可以防止安裝砝碼時(shí)給金屬絲造成的搖擺晃動(dòng)，節(jié)省了讀數(shù)的時(shí)間，“山”字型砝碼安裝槽可防止砝碼掉落砸傷學(xué)生的危險(xiǎn)，彌補(bǔ)了不安全的缺點(diǎn)。

(2)針對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡中標(biāo)尺的像比較困難費(fèi)，在圖2中望遠(yuǎn)鏡的位置換上一激光器，使其發(fā)出的光束照射到光杠桿G的平面反射鏡上，調(diào)節(jié)平面反射鏡鏡面使激光反射到標(biāo)尺上，由于激光兼具方向性好可見(jiàn)度高這一特點(diǎn)，調(diào)節(jié)時(shí)無(wú)需從望遠(yuǎn)鏡中去尋找標(biāo)尺的像，只需用一接收屏來(lái)接收從光杠桿鏡面上反射來(lái)的光，讀數(shù)時(shí)可從光斑的位置直接讀取，這樣在不改變實(shí)驗(yàn)原理的條件下克服了望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)小調(diào)整困難的缺點(diǎn)，使實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)變得非常簡(jiǎn)單，減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程調(diào)節(jié)儀器的時(shí)間。

(3)基于光杠桿不穩(wěn)定容易掉落這一問(wèn)題，最簡(jiǎn)單的措施就是在光杠桿鏡固定支架下安裝磁性材料，通過(guò)磁性材料的吸力使光杠桿鏡固定在平臺(tái)上，這樣即使在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生對(duì)光杠桿鏡有輕微的碰觸也不至于翻落掉地，造成不必要的損失。

4 結(jié) 論

上述對(duì)楊氏模量測(cè)試儀提出的儀器改進(jìn)方案簡(jiǎn)單易行，可克服現(xiàn)有儀器的各種主要不足之處。通過(guò)增設(shè)砝碼安裝槽和定位滑桿，使得實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程方便，有效地防止了測(cè)量過(guò)程中金屬絲的晃動(dòng)和砝碼的脫落現(xiàn)象，保證了測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的安全性;并以激光器代替望遠(yuǎn)鏡，明顯改善實(shí)驗(yàn)操作性能，節(jié)約了調(diào)節(jié)儀器的時(shí)間;在光桿桿鏡固定支架下安裝磁性材料提高了鏡面的穩(wěn)定性，減少了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不必要的損失，降低了實(shí)驗(yàn)成本。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，制造成本低廉，完全可以滿足教學(xué)要求，特別適合在高等院校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器中加以推廣應(yīng)用。

［1］朱鶴年.基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教程［M］.北京:高等教育出版社，2003.

［2］仲明禮，王勁松，仲偉路.伸長(zhǎng)法測(cè)定楊氏模量實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)［J］.大學(xué)物理，2006，25(8):33-35.

［3］王光學(xué)，高勇，趙文革.楊氏模量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，1995，15(3):140.

［4］萬(wàn)春華.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.南京:南京出版社，2006:33.

［5］李平.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.北京:高等教育出版社，2004:62-66.

［6］李儒頌，葉文江.金屬絲楊氏模量測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2014，05:51-53.

［7］馮隆林，李志坤.楊氏模量實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡調(diào)節(jié)方法研究［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2014(5):36-38.