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1、用拉伸法测定钢丝的杨氏模量用拉伸法测定钢丝的杨氏模量物理实验示范中心物理实验示范中心主讲：周廷龙电话：杨氏弹性模量大大学学物物理实理实实验实验验三验三杨氏弹性模量周周周周廷廷廷廷龙龙龙龙杨杨杨杨氏氏氏氏弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量的的的的测测测测量量量量西南交通大学希望学院物理教研室西南交通大学希望学院物理教研室杨氏弹性模量“科学科学靠两条腿走路靠两条腿走路,一是理论一是理论,一是实验一是实验,有时一条腿走在前面有时一条腿走在前面,有时另一条有时另一条腿走在前面腿走在前面,但只有两条腿才能前进。但只有两条腿才能前进。 ” 物理物理学家密立根学家密立根 怎样怎样才能学好大学物理实验呢？杨氏弹
2、性模量实验可以推翻理论，而理论永远无法推翻试验。实验可以推翻理论，而理论永远无法推翻试验。丁肇中 归纳为这几点：归纳为这几点：1要重视实验教学的每一个环节要重视实验教学的每一个环节在物理实验中，每一个实验的目在物理实验中，每一个实验的目的，要求和侧重点均不相同。有的侧重于基本测量仪器的使用，基的，要求和侧重点均不相同。有的侧重于基本测量仪器的使用，基本方法的掌握，有的侧重于基本技能，技巧的训练，有的在于通过本方法的掌握，有的侧重于基本技能，技巧的训练，有的在于通过实验去总结物理规律，后面的实验往往要用到前面实验所使用过的实验去总结物理规律，后面的实验往往要用到前面实验所使用过的方法，仪器。但为
3、了让学生能见多识广，每个实验所使用的仪器和方法，仪器。但为了让学生能见多识广，每个实验所使用的仪器和方法又不完全相同，所以，在实验过程中，要注意观察、分析、比方法又不完全相同，所以，在实验过程中，要注意观察、分析、比较，实验结束后要及时撰写实验报告。较，实验结束后要及时撰写实验报告。杨氏弹性模量热爱实践而又不讲科学的人，就像一个水手走进了一只没有热爱实践而又不讲科学的人，就像一个水手走进了一只没有舵或罗盘的船，他从来不能肯定他在往哪里走。舵或罗盘的船，他从来不能肯定他在往哪里走。 达达芬奇芬奇 2注意掌握所采用的实验方法注意掌握所采用的实验方法基本的测量方法在实际中既会经常基本的测量方法在实际
4、中既会经常用到，也是复杂测量方法的基础。学习时不但要弄清楚它的原理，用到，也是复杂测量方法的基础。学习时不但要弄清楚它的原理，运用条件，优点和缺点，而且要通过实验研究，逐步熟悉和记牢，运用条件，优点和缺点，而且要通过实验研究，逐步熟悉和记牢，并且能运用这些方法设计一些简单的实验；一些重要的测量方法，并且能运用这些方法设计一些简单的实验；一些重要的测量方法，只有自己动手实验并反复研究，才能融会贯通，留下深刻的印象。只有自己动手实验并反复研究，才能融会贯通，留下深刻的印象。 杨氏弹性模量有了精确的实验和观测作为研究的依据，想象力便成为自然科有了精确的实验和观测作为研究的依据，想象力便成为自然科学理
5、论的设计师。学理论的设计师。 廷德尔廷德尔J 3要注意养成善于分析的习惯要注意养成善于分析的习惯实验时最好是带着问题去做。实验实验时最好是带着问题去做。实验中要善于捕捉和分析实验现象，理论结合实际，指导实验操作；做中要善于捕捉和分析实验现象，理论结合实际，指导实验操作；做完实验后一般要有所回味，这样才能得到提高。实验最后总要获得完实验后一般要有所回味，这样才能得到提高。实验最后总要获得实验结果，结果是否正确靠什么来判断？实验数据的好坏说明什么实验结果，结果是否正确靠什么来判断？实验数据的好坏说明什么问题？这些问题要靠分析实验来解决。实际上，任何理论都是在一问题？这些问题要靠分析实验来解决。实际
6、上，任何理论都是在一定基础上的抽象或简化，都有其适用范围。而客观实际和实验所处定基础上的抽象或简化，都有其适用范围。而客观实际和实验所处环境要复杂得多，实验结果必然会带来和理论公式的差异，问题在环境要复杂得多，实验结果必然会带来和理论公式的差异，问题在于差异的大小是否合理，并找出不合理的原因。即必须分析实验方于差异的大小是否合理，并找出不合理的原因。即必须分析实验方法是否正确？实验条件是否得到满足？它们带来多大误差，仪器带法是否正确？实验条件是否得到满足？它们带来多大误差，仪器带来多大误差？实验环境有多大影响等。千万不可认为实验的目的只来多大误差？实验环境有多大影响等。千万不可认为实验的目的只
7、是为了做出标准的数据结果。往往有些学生，当实验数据和理论值是为了做出标准的数据结果。往往有些学生，当实验数据和理论值一致时，就会觉得心满意足，简单地认为已经学好了这次实验，而一致时，就会觉得心满意足，简单地认为已经学好了这次实验，而一旦实验数据和理论值差别较大时，又会感到失望，抱怨仪器装置，一旦实验数据和理论值差别较大时，又会感到失望，抱怨仪器装置，甚至拼凑或抄袭别人的数据。这两种表现都是不对的。甚至拼凑或抄袭别人的数据。这两种表现都是不对的。 杨氏弹性模量人只有献身于社会，才能找到那实际上是短暂而有风险的生命的人只有献身于社会，才能找到那实际上是短暂而有风险的生命的意义。热爱是最好的老师，它
8、远远超过责任感。学校的目标应当意义。热爱是最好的老师，它远远超过责任感。学校的目标应当是培养有独立行动和独立思考能力的人。是培养有独立行动和独立思考能力的人。 爱因斯坦爱因斯坦A 4要注意锻炼自己的动手操作能力要注意锻炼自己的动手操作能力要学会正确使用各种仪器，并要学会正确使用各种仪器，并力求自己排除实验中出现的故障。应该说，能否发现实验故障并排力求自己排除实验中出现的故障。应该说，能否发现实验故障并排除是实验能力强弱的一个重要表现，要想提高实验能力，必须自己除是实验能力强弱的一个重要表现，要想提高实验能力，必须自己多动手。对于如何记录实验数据，如何安排仪器布局，如何正确操多动手。对于如何记录
9、实验数据，如何安排仪器布局，如何正确操作仪器等，只有在每次实验中有意识的加强锻炼，才能养成良好的作仪器等，只有在每次实验中有意识的加强锻炼，才能养成良好的习惯。习惯。杨氏弹性模量你不能计较早晨和黄昏，一天二十四小时都是你的工作时间！你不能计较早晨和黄昏，一天二十四小时都是你的工作时间！ 李政道李政道 5.要注意培养自己认真、踏实、细致、坚韧不拔的实验素质和勇于要注意培养自己认真、踏实、细致、坚韧不拔的实验素质和勇于创新的精神。创新的精神。不轻意放过每一个实验现象，不怕挫折和失败，艰苦不轻意放过每一个实验现象，不怕挫折和失败，艰苦努力，力求以最小代价取得最好的实验结果。努力，力求以最小代价取得最
10、好的实验结果。总之总之,实验课有它本实验课有它本身的特点和规律，要学好实验课不是一件容易的事，但也绝非太难身的特点和规律，要学好实验课不是一件容易的事，但也绝非太难的事；只要在学习过程中不断总结经验，逐步掌握规律，培养对实的事；只要在学习过程中不断总结经验，逐步掌握规律，培养对实验课的兴趣，就能炼好基本功，提高自己的科学实验能力验课的兴趣，就能炼好基本功，提高自己的科学实验能力杨氏弹性模量在物体的弹性限度内，当物体受外力作用时，在物体的弹性限度内，当物体受外力作用时，均会发生弹性形变；发生弹性形变时，物体内均会发生弹性形变；发生弹性形变时，物体内部产生恢复原状的内应力。弹性模量是反映材部产生恢
11、复原状的内应力。弹性模量是反映材料抵抗形变能力的物理量，在工程上作为选择料抵抗形变能力的物理量，在工程上作为选择材料的依据之一。材料的依据之一。什么是杨氏弹性模量？杨氏弹性模量目目 录录一一. . 实实 验验 目目 的的二二. . 实实 验验 原原 理理三三. . 实验仪器与器材实验仪器与器材四四. . 实实 验验 内容与步骤内容与步骤五五. . 实验注意事项实验注意事项六六. . 数数 据据 处处 理理杨氏弹性模量实实 验验 目目 的的了解杨氏模量的物理概念，掌握其测量了解杨氏模量的物理概念，掌握其测量原理和方法。原理和方法。学会用光杠杆测量微小伸长量的方法。学会用光杠杆测量微小伸长量的方法
12、。杨氏弹性模量一一. .胡克定律胡克定律 在外力作用下，固体所发生的形状变化称为形变。在外力作用下，固体所发生的形状变化称为形变。形变可分为：形变可分为：弹性形变：外力撤除后，物体能完全恢复原状的形变。弹性形变：外力撤除后，物体能完全恢复原状的形变。 范氏形变：外力较大，撤除后物体不能完全恢复原状，而留下剩余形变。范氏形变：外力较大，撤除后物体不能完全恢复原状，而留下剩余形变。 本实验只研究弹性形变。最简单的弹性形变是棒状物体受外力后的拉本实验只研究弹性形变。最简单的弹性形变是棒状物体受外力后的拉长和缩短。长和缩短。 设物体的原长为设物体的原长为L L，横截面积为，横截面积为S S，当在长度方
13、向施加外力，当在长度方向施加外力F F时，其伸长时，其伸长( (或或缩短缩短) ) LL 。 按照胡克定律，在弹性限度内，物体的协强按照胡克定律，在弹性限度内，物体的协强(F/S)(F/S)与协变与协变( (L/L)L/L)成正比。成正比。实实 验验 原原 理理杨氏弹性模量二二. .杨氏模量杨氏模量 条形物体（如钢丝）沿纵向的弹性模量叫杨氏模量。条形物体（如钢丝）沿纵向的弹性模量叫杨氏模量。 测量杨氏模量的方法有：拉伸法、梁的弯曲法、振动测量杨氏模量的方法有：拉伸法、梁的弯曲法、振动法、内耗法等等，本实验采用拉伸法测定杨氏模量。法、内耗法等等，本实验采用拉伸法测定杨氏模量。比例系数比例系数称为
14、杨氏模量。称为杨氏模量。它是表征材料性质的一个物理量，仅与材料的结构、化它是表征材料性质的一个物理量，仅与材料的结构、化学成分及其加工制造方法有关。学成分及其加工制造方法有关。杨氏弹性模量三三. .光杠杆装置及放大原理光杠杆装置及放大原理 小平面镜小平面镜M连同直尺、望远镜共同构成光杠杆装置，它可把微小长度变化放大。连同直尺、望远镜共同构成光杠杆装置，它可把微小长度变化放大。 n0为为M法线方向水平时，望远镜中看到的直尺上的相应刻度。法线方向水平时，望远镜中看到的直尺上的相应刻度。(n0)(n1)RMMbLD DaaaaCCn1为当钢丝因悬挂重物而下降为当钢丝因悬挂重物而下降L，导致，导致M的
15、法线方向改变的法线方向改变角时，从望远镜中角时，从望远镜中看到的直尺上的相应刻度。看到的直尺上的相应刻度。b平面镜平面镜M后一个支点到前两个支点的距离后一个支点到前两个支点的距离R镜面到尺面的距离镜面到尺面的距离因为因为角很小，故有：角很小，故有： 则有：则有：最后得：最后得：本实验的放大倍数本实验的放大倍数:几十几十倍倍,R为为1至至2米米;b为为5至至8厘米厘米.杨氏弹性模量则：则：又：又：令：令：由前实验装置分析：由前实验装置分析：杨氏弹性模量望望远远镜镜和和直直标标尺尺杨杨氏氏模模量量测测定定仪仪实验仪器与器材杨氏弹性模量其它仪器和器材其它仪器和器材杨氏弹性模量调节底角螺丝，使气泡居中
16、调节底角螺丝，使气泡居中气泡气泡底角螺丝底角螺丝杨氏弹性模量1.调整测量系统调整测量系统望远镜镜筒和光杠杆镜面等高；望远镜镜筒和光杠杆镜面等高； 望远镜上侧目测平面镜中直尺；望远镜上侧目测平面镜中直尺； 调节望远镜，看清望远镜中叉丝调节望远镜，看清望远镜中叉丝 及标尺度。及标尺度。实实 验内容与验内容与 步骤步骤杨氏弹性模量 直尺直尺望远镜望远镜目镜目镜物镜物镜钢丝钢丝砝码盘砝码盘物镜调节旋纽物镜调节旋纽光杠杆光杠杆地面地面移动望远镜支架，移动望远镜支架，在望远镜上侧能看在望远镜上侧能看到平面镜中直尺。到平面镜中直尺。瞄准平面镜，调节瞄准平面镜，调节目镜、物镜，看清目镜、物镜，看清望远镜中叉丝
17、和平望远镜中叉丝和平面镜中直尺刻度。面镜中直尺刻度。准星准星杨氏弹性模量物镜物镜准准星星目目镜镜物镜调焦物镜调焦抡抡调节目镜调节目镜看清叉丝看清叉丝 调节物镜调节物镜看清标尺刻度看清标尺刻度杨氏弹性模量2.测量测量加上初始负载（一块砝码），拉直钢丝，加上初始负载（一块砝码），拉直钢丝， 逐次加上一定质量的砝码，再逐次减去砝码，记逐次加上一定质量的砝码，再逐次减去砝码，记录录 y yi i、y yi i 多次测量钢丝直径多次测量钢丝直径d d (6 (61010次次) )，单次测量，单次测量D D、K K、L L。（K K用游标卡尺测量）用游标卡尺测量） 经过数据处理，最后得到经过数据处理，最后
18、得到 E EE E。K两个支点两个支点“力力”点点杨氏弹性模量注注 意意 事事 项项 充分重视光杠杆的粗调。充分重视光杠杆的粗调。 增减砝码时要轻放轻取，以防冲击和摆动，增减砝码时要轻放轻取，以防冲击和摆动，应等标尺稳定后才可读数。标尺读数若在零应等标尺稳定后才可读数。标尺读数若在零点两侧，应区分正负点两侧，应区分正负。 因砝码的重心不在其几何中心，所以要正因砝码的重心不在其几何中心，所以要正确摆放砝码，以保证钢丝上悬挂的砝码串的确摆放砝码，以保证钢丝上悬挂的砝码串的稳定。稳定。杨氏弹性模量为了充分利用测量数据，减小测量误差，应采用逐差法：为了充分利用测量数据，减小测量误差，应采用逐差法：（1
19、 1）将测量列按次序分为高低两组将测量列按次序分为高低两组 ; ;（2 2）取对应项的差值后再求平均：）取对应项的差值后再求平均：其中其中 为为5 5个峰值间的距离，即个峰值间的距离，即: :（3 3）逐差法处理数据的不确定度的计算）逐差法处理数据的不确定度的计算 ：数数 据据 处处 理理杨氏弹性模量 直接测量的物理量直接测量的物理量yy；d d；D D；K K；L L 的误差的误差必然会引起杨氏模量必然会引起杨氏模量E E 的误差。实验中要求计算的误差。实验中要求计算直接测量量的标准偏差，再运用误差传递公式计直接测量量的标准偏差，再运用误差传递公式计算杨氏模量的标准偏差，写出最后结算杨氏模量的标准偏差，写出最后结EE。 d：d1、d2d10y：y1、y2y5杨氏弹性模量1、测n杨氏弹性模量杨氏弹性模量2、单次测量L、D、b杨氏弹性模量3、多次测量钢丝直径d杨氏弹性模量4、计算杨氏模量杨氏弹性模量谢谢谢谢杨氏弹性模量
