深圳大学_大学物理实验c_杨氏模量的测量.doc

得分 教师签名 批改日期 深 圳 大 学 实 验 报 告 课程名称： 大学物理实验（一） 实验名称： 学 院： 指导教师： 报告人： 组号： 学号 实验地点 实验时间： 年 月 日 提交时间： 一、实验目的 1. 掌握用拉伸法测定金属丝的杨氏模量； 2. 学会用光杠杆测量长度的微小变化 3. 学会用逐差法处理数据。 实验原理 1. 胡克定律和杨氏弹性模量 当固体受外力作用时，它的体积和形状将要发生变化，这种变化，称为形变。物体的形变可分为弹性形变和塑性形变。固体材料的弹性形变又可分为纵向、切变、扭转、弯曲。当外力不太大时，物体的形变与外力成正比，且外力停止作用物体立即恢复原来的形状和体积，这种形变称弹性形变。当外力较大时，物体的形变与外力不成比例，且当外力停止作用后，物体形变不能完全消失，这种形变称为范性形变。范性形变的产生，是由于物体形变而产生的内应力（大小等于单位面积上的作用力）超过了物体的弹性限度（屈服极限）的缘故。如果再继续增大外力，当物体内产生的内应力超过物体的强度极限时，物体便被破坏了。胡克定律：在物体的弹性限度内，胁强于胁变成正比，其比例系数称为杨氏模量（记为E）。在数值上等于产生单位胁变时的胁强。它的单位是与胁强的单位相同。其中：单位面积上所受到的力称为协强，协变是指在外力作用下的相对形变，它反映了物体形变的大小。杨氏模量来描述材料抵抗纵向弹性形变的能力。 胡克定律指出，在弹性限度内，弹性体的应力和应变成正比。设有一根长为L，横截面积为S的钢丝，在外力F作用下伸长了，则 （5-1） 式中的比例系数E称为杨氏模量，单位为N·m－2。设实验中所用钢丝直径为d，则，将此公式代入上式整理以后得 （5-2） 上式表明，对于长度L，直径d和所加外力F相同的情况下，杨氏模量E大的金属丝的伸长量小。因而，杨氏模量是表征固体材料性质的一个重要的物理量，是工程设计上选用材料时常需涉及的重要参数之一，一般只与材料的性质和温度有关，与外力及物体的几何形状无关。对一定材料而言，E是一个常数，它仅与材料的结构、化学成分及其加工制造的方法有关。杨氏模量的大小标志了材料的刚性。 为能测出金属丝的杨氏模量 E ，必须准确测出上式中右边各量。其中 L、d、F 都可用一般方法测得，唯有 ΔL 是一个微小的变化量，用一般量具难以测准，为了测量细钢丝的微小长度变化，实验中使用了光杠杆放大法间接测量。利用光杠杆不仅可以测量微小长度变化，也可测量微小角度变化和形状变化。由于光杠杆放大法具有稳定性好、简单便宜、受环境干扰小等特点，在许多生产和科研领域得到广泛应用。 2、光杠杆和镜尺系统是测量微小长度变化的装置 光杠杆结构如图5-1(a) 所示，它实际上是附有三个尖足的平面镜。三个尖足的边线为一等腰三角形。前两足刀口与平面镜在同一平面内（平面镜俯仰方位可调），后足在前两足刀口的中垂线上。镜尺系统由一把竖立的毫米刻度尺和在尺旁的一个望远镜组成。镜尺系统和光杠杆组成如图5-2(b) 所示的测量系统。 ( a ) 光杠杆示意图 ( b ) 光杠杆示意图 图5-1 将光杠杆和镜尺系统按图5-1(b) 安装好，并按仪器调节步骤调节好全部装置之后，就会在望远镜中看到由镜面 M 反射的直尺（标尺）的像。标尺是一般的米尺，但中间刻度为0。其光路部分如图5-2 。图中 表示钢丝处于伸直情况下，光杠杆小镜的位置。从望远镜的目镜中可以看见水平叉丝对准标尺的某一刻度线 ，当在钩码上增加砝码（第 i 块）时，因钢丝伸长致使置于钢丝下端附着在平台上的光杠杆后足 P 跟随下降到 P’，PP’ 即为钢丝的伸长 ，于是平面镜的法线方向转过一